模数转换器基本原理及常见结构精选文档.ppt

模数转换器基本原理模数转换器基本原理及常见结构及常见结构本讲稿第一页，共四十页8.1概述概述模拟信号模拟信号(Analog Signal)：时间和幅度均时间和幅度均连续变化的信号。连续变化的信号。数字信号数字信号(Digital Signal)：时间和幅度离散时间和幅度离散且按一定方式编码后的脉冲信号。且按一定方式编码后的脉冲信号。模数转换器：模数转换器：完成模拟到数字信号转换完成模拟到数字信号转换的器件。简写为的器件。简写为ADC或或A/D。数模转换器：数模转换器：完成数字到模拟信号转换的完成数字到模拟信号转换的器件。简写为器件。简写为DAC或或D/A。本讲稿第二页，共四十页模拟、数字控制系统对比模拟、数字控制系统对比传感器传感器信号调理信号调理A/DD/A执行设备执行设备微处理器微处理器功率放大功率放大数字控制系统数字控制系统工业现场工业现场传感器传感器信号调理信号调理信号处理信号处理功率放大功率放大执行设备执行设备模拟控制系统模拟控制系统工业现场工业现场本讲稿第三页，共四十页模拟控制系统模拟控制系统数字控制系统数字控制系统适应性适应性信号处理复杂信号处理复杂适应性强适应性强可控性可控性不易改变控制不易改变控制参数参数易改变控制参易改变控制参数和模型数和模型控制精度控制精度低低高高 后处理后处理数据记录、处数据记录、处理很不方便理很不方便数据记录、处数据记录、处理方便理方便本讲稿第四页，共四十页随着电子技术发展，随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字作为数字电路与模拟电路联系的桥梁，其应用非常广泛。电路与模拟电路联系的桥梁，其应用非常广泛。下图为数字控制系统的典型框图。下图为数字控制系统的典型框图。本讲稿第五页，共四十页8.2 数模转换器数模转换器DAC十进十进制数制数P(转换系数转换系数)决定系决定系数电路数电路数位开关数位开关“1”或或“0”数字位数字位权重电路权重电路相加电路相加电路本讲稿第六页，共四十页8.2.1 几种几种DAC的工作原理的工作原理一、一、Kelvin分压器分压器称为称为电阻串联型电阻串联型DAC，由，由2n个等值电阻个等值电阻器组成。器组成。ADI：AD5326（4通道，通道，12位电阻串型位电阻串型DAC）；）；TI：DAC8534（4通道，通道，16位电阻串型位电阻串型DAC）。）。本讲稿第七页，共四十页二、二进制加权型二、二进制加权型DAC权阻权阻电路电路数位数位开关开关反相反相加法器加法器基准基准电压电压本讲稿第八页，共四十页4 4位的权电流网络位的权电流网络DAC电路电路权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度差较大，集成时难保证电阻精度。本讲稿第九页，共四十页三、倒三、倒梯形梯形R-2R网络网络DAC权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度较大，集成时难保证电阻精度。数位开关数位开关Di=1 接接-Di=0 接接+本讲稿第十页，共四十页其余全为其余全为0时时当当Di=“1”当当Dn-2=“1”当当Dn-1=“1”对任意数字量，对任意数字量，由叠加原理，得流入由叠加原理，得流入-端的总电流：端的总电流：优点：优点：开关切换时开关切换时无电位变化，可提高无电位变化，可提高切换速率。切换速率。本讲稿第十一页，共四十页满量程满量程(FS)：单单极性极性DAC输入全输入全“1”时输时输出的模拟值。出的模拟值。满量程范围满量程范围(FSR)：DAC输出模拟量最小输出模拟量最小值到最大值的范围。单极性值到最大值的范围。单极性FSR=FS。最高有效位最高有效位(MSB)、最低有效位、最低有效位(LSB)具有最高（具有最高（最低最低）权重数位或其为）权重数位或其为“1”而其而其余位全余位全“0”时，对应输出的模拟值。时，对应输出的模拟值。Dn-1Dn-2.D1D0MSBLSB 8.2.2 DAC的主要参数的主要参数本讲稿第十二页，共四十页1 1、静态参数（、静态参数（误差参数误差参数）DAC稳态工作时，输出实际值（稳态工作时，输出实际值（V，I）偏离）偏离理想值大小程度。理想值大小程度。误差表示方法：误差表示方法：DAC的主要参数的主要参数 1LSB单位表示（单位表示（如如1LSB、LSB/2）以以%FSR表示（表示（即即FSR的百分之一的百分之一）。）。以以ppm表示表示即即FSR的百万分之一为单位表示。的百万分之一为单位表示。以输出的实际误差表示（以输出的实际误差表示（mV、V等等）本讲稿第十三页，共四十页例题：例题：某某DAC数字位数字位n=12，FSR=10V。试用四。试用四种误差表示其最低位产生的误差。种误差表示其最低位产生的误差。则最低位产生的误差如下：则最低位产生的误差如下：1LSB；0.0244%FSR；244ppm；2.44mV。12个数字位能表示的十进制数：个数字位能表示的十进制数：最低位表示的模拟值为：最低位表示的模拟值为：本讲稿第十四页，共四十页2 2、转换误差、转换误差a)a)零点（失调）误差零点（失调）误差 输入数字量输入数字量D D为为0 0，输出模拟量，输出模拟量A A不为零。不为零。本讲稿第十五页，共四十页b b）零点）零点(失调失调)温度系数温度系数 漂移漂移4 43 32 21 1D DininOUTOUTO O图图8.1.9 DAC8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移的零点和增益温度漂移 单位温度变化时，单位温度变化时，DACDAC输出零点产生的漂移输出零点产生的漂移量。量。本讲稿第十六页，共四十页c c）增益误差）增益误差 实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲线实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲线斜率之比斜率之比:A:A实际实际/A/A理想理想。本讲稿第十七页，共四十页 d d）增益温度系数）增益温度系数 漂移漂移4 43 32 21 1D DininOUTOUTO O图图8.1.9 DAC8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移的零点和增益温度漂移 指单位温度变化时，指单位温度变化时，DACDAC输出特性曲线斜率输出特性曲线斜率的漂移量。用满量程的的漂移量。用满量程的1010-6-6/表示。表示。本讲稿第十八页，共四十页e e）积分非线性）积分非线性 实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。本讲稿第十九页，共四十页f f）微分线性误差）微分线性误差 任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与1LSB1LSB之差，称为该点的微分线性误差之差，称为该点的微分线性误差(DLE)(DLE)。积分非线性反映的是实际输出特性的积分非线性反映的是实际输出特性的整体线性整体线性度度，即与理想输出特性的偏离程度，即与理想输出特性的偏离程度;微分线性误差反映了线性误差在整个输出特性微分线性误差反映了线性误差在整个输出特性中的中的分布分布。本讲稿第二十页，共四十页 ODinAOUT2LSB4LSBabc图图8.1.11 DAC的微分线性误差的微分线性误差 下图中，下图中，a a、b b两点的微分线性误差为两点的微分线性误差为:本讲稿第二十一页，共四十页g)g)微分线性误差温度系数微分线性误差温度系数 单位温度变化所引起的单位温度变化所引起的DACDAC微分线性误差的变化量微分线性误差的变化量称为微分线性误差温度系数。称为微分线性误差温度系数。该参数可用于估算在工作温度范围内，该参数可用于估算在工作温度范围内，DACDAC能否保能否保持单调性。持单调性。h)h)单调性单调性 DAC DAC的单调性是指当输入数据单调增加时，输出电的单调性是指当输入数据单调增加时，输出电压或电流增加或不变。压或电流增加或不变。本讲稿第二十二页，共四十页 若输入数据单调增加若输入数据单调增加1LSB1LSB时，输出电压或电流反而时，输出电压或电流反而减小减小，则该，则该DACDAC的特性具有的特性具有非单调性非单调性。DACDAC的非单调性是由于各位误差的累积超过了的非单调性是由于各位误差的累积超过了1LSB1LSB造成的造成的 。之间或之间或如果各点的线性误差均介于如果各点的线性误差均介于 微分线微分线性误差介于性误差介于 之间，则之间，则DACDAC的输出的输出具有单调性。具有单调性。本讲稿第二十三页，共四十页例例:b b、c c两点的微分线性误差为两点的微分线性误差为：不具有单调性。不具有单调性。ODinAOUT2LSB4LSBbc图图8.1.11 DAC的微分线性误差的微分线性误差a本讲稿第二十四页，共四十页3、DAC的其它主要参数的其它主要参数 分辨率分辨率DAC的的FSR被被2n分割所对应的模拟值。分割所对应的模拟值。注意注意：在：在自动控制系统自动控制系统中使用的中使用的DACDAC必须具有必须具有单调性，否则可能使系统在单调性，否则可能使系统在DACDAC的非单调区间内来的非单调区间内来回摆动，形成回摆动，形成振荡振荡，不能稳定工作。，不能稳定工作。本讲稿第二十五页，共四十页解解：分辨率为：分辨率为8 8位，也可表示为位，也可表示为 例例8.1.28.1.2 一个满量程电压为一个满量程电压为10V10V的的8 8位位DACDAC，其分，其分辨率是多少？辨率是多少？稳定时间稳定时间t ts s输入数据变化时，输出模拟量变化到输入数据变化时，输出模拟量变化到新值新值规定规定误差（误差（LSB/2LSB/2）范围的时间。）范围的时间。LSB/2LSB/2本讲稿第二十六页，共四十页（3）动态误差（动态误差（突跳突跳）DAC输出端两个稳态值过渡期间出现的较大输出端两个稳态值过渡期间出现的较大幅度窄脉冲，称为突跳（幅度窄脉冲，称为突跳（错误输出错误输出）。）。DinVout突跳突跳原因：原因：内部内部模拟开关切换模拟开关切换时间不同步。时间不同步。消除突跳：消除突跳：在在DAC输出输出与负载间插入与负载间插入S/H（将降低将降低系统速度系统速度）。）。DACS/HoutRL本讲稿第二十七页，共四十页四、典型四、典型DAC芯片介绍芯片介绍8位并行位并行CMOS DAC。功耗低（约。功耗低（约20mW）、非）、非线性误差小（线性误差小（1/8LSB）；数据锁存器。）；数据锁存器。当当CS=WR=0时，输入数据时，输入数据写入锁存器写入锁存器；电源；电源VDD=+5V+15V。模拟输出。模拟输出Vo=010V。本讲稿第二十八页，共四十页8.4.1 DAC的应用知识的应用知识一、一、DAC芯片的选择芯片的选择原则：原则：综合考虑性能、成本、供货周期三个综合考虑性能、成本、供货周期三个因素。因素。1、给定分辨率确定、给定分辨率确定DAC位数位数设设DAC的满量程范围为的满量程范围为FSR，位数为，位数为n，则，则其分辨率为其分辨率为FSR/2n。标称位数标称位数8、10、12、16等等本讲稿第二十九页，共四十页例：例：某某DAC的的FSR=10V，要求分辨率不低于，要求分辨率不低于10mV，试确定其位数。（，试确定其位数。（理论分辨率理论分辨率实际分辨率实际分辨率）解：解：可选可选10位位2、DAC接口特性的选择接口特性的选择输入接口：输入接口：数字量与逻辑电平匹配情况、编码数字量与逻辑电平匹配情况、编码制式、输入方式（制式、输入方式（串串/并并）等。）等。输出接口：输出接口：输出输出是电压（是电压（电流电流）；单（）；单（双双）极极性；性；参考电压参考电压VR取自内（取自内（外外）部等。）部等。本讲稿第三十页，共四十页3、DAC转换速度的选择转换速度的选择根据具体应用系统要求确定合适的转换速度根据具体应用系统要求确定合适的转换速度选择（满足指标要求即可）选择（满足指标要求即可）。二、二、DAC的调整的调整单极性单极性DAC双极性双极性DAC输出电压输出电压0FS VR(1-2-n)FSR/2FSR/2调整方法调整方法先调零点先调零点再调增益再调增益输入全输入全0时，调时，调整整Vo=0。输入全输入全0时，调整时，调整Vo=FSR/2；输入全输入全1时，调时，调整整Vo=FS。输入全输入全1时，调整时，调整Vo=FSR/2。本讲稿第三十一页，共四十页注意：注意：具体芯片调整电路参考相关资料！具体芯片调整电路参考相关资料！图图(a)：输入：输入全全0并调并调W1，使，使Vo=5.0000V；再；再输入输入全全1，调，调W2，使，使Vo=4.9976V。图图(b)：电路调整方法基本相同。：电路调整方法基本相同。本讲稿第三十二页，共四十页三、三、DAC的功能扩展的功能扩展1、单极性、单极性DAC扩展为双极性电压输出扩展为双极性电压输出输入输入全全0Vo=0输入输入全全1Vo=VR(1-2-n)Dn-1=1，其余，其余全全0Vo=VR/2单极性工作单极性工作若使中间电压为零，即得双极性输出电压。若使中间电压为零，即得双极性输出电压。本讲稿第三十三页，共四十页双极性输出双极性输出II=VR/2R抵消中间值电流抵消中间值电流单极性单极性tVo0-VR/2双极性双极性Vot0VR/2Dn-1=1转换前后对比转换前后对比本讲稿第三十四页，共四十页 AD7524在输入偏移二进制码时的双极性在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下。工作原理图如下。本讲稿第三十五页，共四十页2、DAC与微处理器的接口方法与微处理器的接口方法当当DAC位数位数大于大于CPU数据总线宽度的接口数据总线宽度的接口方法。方法。例如：例如：8位位CPU与与12位位DAC接口。接口。两次送数两次送数一次转换一次转换本讲稿第三十六页，共四十页8位位CPU与与12位位有内缓冲有内缓冲DAC接口接口第一次送第一次送低低8位；位；第二次送第二次送高高4位同时完成位同时完成12位数据转换。位数据转换。优点：优点：经济；经济；不足：不足：转换速率降低。转换速率降低。本讲稿第三十七页，共四十页8.4.2 几种几种DAC的应用电路的应用电路一、程控增益放大器一、程控增益放大器即用输入改变电阻即用输入改变电阻网络阻值网络阻值(Rf)。本讲稿第三十八页，共四十页二、程控信号源二、程控信号源原理：原理：按时间顺序将所存储波形的幅度值数据按时间顺序将所存储波形的幅度值数据送入送入DAC中，即可得模拟波形输出。中，即可得模拟波形输出。MCU中单周波形数据中单周波形数据写入写入FIFO启动读信启动读信号号RD从从FIFO读出数据读出数据入入DAC模拟波形输出模拟波形输出（用用FIFO重传可输出连续信号重传可输出连续信号）。）。本讲稿第三十九页，共四十页小结小结1、模数联系的桥梁：、模数联系的桥梁：ADC、DAC；2、DAC原理（原理（电阻网络电阻网络+模拟开关模拟开关）；）；3、理解、理解DAC主要性能参数（主要性能参数（误差误差）；）；4、DAC的基本应用的基本应用选择、调整、扩展方法；了解典型应用。选择、调整、扩展方法；了解典型应用。作业：作业：8.2、8.3 思考题：思考题：8.1、8.4、8.5、8.14本讲稿第四十页，共四十页