模数转换器基本原理及常见结构.pptx

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1、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第1页/共39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参不易改变控制参数数易改变控制参数易改变控制参数和模型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、处理数据记录、处理很不方便很不方便数据记录、处理数据记录、处理方

2、便方便第2页/共39页随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字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。第3页/共39页8.2 数模转换器DAC十进制数P(转换系数)决定系数电路数位开关“1”或“0”数字位权重电路相加电路第4页/共39页8.2.1 几种DAC的工作原理一、Kelvin分压器称为电阻串联型DAC，由2n个等值电阻器组成。ADI：AD5326（4通道，12位电阻串型DAC）；TI：DAC8534（4通道，16位电阻串型DAC）。第5页/共39页二、二进制加权型DAC权阻电路数位开关反相加法器基准电压第6页/共39页4位的权电流网络DAC电路权电阻网络

3、优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度。第7页/共39页三、倒梯形R-2R网络DAC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。数位开关Di=1 接-Di=0 接+第8页/共39页其余全为0时当Di=“1”当Dn-2=“1”当Dn-1=“1”对任意数字量，由叠加原理，得流入-端的总电流：优点：开关切换时无电位变化，可提高切换速率。第9页/共39页满量程满量程(FS)：单单极性极性DAC输入全输入全“1”时输出的模拟值。时输出的模拟值。满量程范围(FSR)：DAC输出模拟量最小值到最大值的范围。单极性FSR=FS。最高有效位(MSB)、最低有效位(LSB

4、)具有最高（最低）权重数位或其为“1”而其余位全“0”时，对应输出的模拟值。Dn-1Dn-2.D1D0MSBLSB 8.2.2 DAC的主要参数第10页/共39页1、静态参数（误差参数）DAC稳态工作时，输出实际值（V，I）偏离理想值大小程度。误差表示方法：误差表示方法：DAC的主要参数 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）第11页/共39页例题：某DAC数字位n=12，FSR=10

5、V。试用四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：1LSB；0.0244%FSR；244ppm；2.44mV。12个数字位能表示的十进制数：最低位表示的模拟值为：第12页/共39页2、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。第13页/共39页b）零点(失调)温度系数 漂移4321DinOUTO图8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移 单位温度变化时，DAC输出零点产生的漂移量。第14页/共39页c）增益误差 实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲线斜率之比:A实际/A理想。第15页/共39页

6、 d）增益温度系数 漂移4321DinOUTO图8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移 指单位温度变化时，DAC输出特性曲线斜率的漂移量。用满量程的10-6/表示。第16页/共39页e）积分非线性 实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。第17页/共39页f）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1LSB之差，称为该点的微分线性误差(DLE)。积分非线性反映的是实际输出特性的整体线性度，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中的分布。第18页/共39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，

7、a、b两点的微分线性误差为:第19页/共39页g)微分线性误差温度系数 单位温度变化所引起的DAC微分线性误差的变化量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，DAC能否保持单调性。h)单调性 DAC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。第20页/共39页 若输入数据单调增加1LSB时，输出电压或电流反而减小，则该DAC的特性具有非单调性。DAC的非单调性是由于各位误差的累积超过了1LSB造成的。之间或如果各点的线性误差均介于 微分线性误差介于 之间，则DAC的输出具有单调性。第21页/共39页例例:b、c两点的微分线性误差为：不具有单调性。ODinAO

8、UT2LSB4LSBbc图图8.1.11 DAC的微分线性误差的微分线性误差a第22页/共39页3、DAC的其它主要参数 分辨率DAC的FSR被2n分割所对应的模拟值。注意：在自动控制系统中使用的DAC必须具有单调性，否则可能使系统在DAC的非单调区间内来回摆动，形成振荡，不能稳定工作。第23页/共39页解：分辨率为8位，也可表示为 例8.1.2 一个满量程电压为10V的8位DAC，其分辨率是多少？稳定时间ts输入数据变化时，输出模拟量变化到新值规定误差（LSB/2）范围的时间。LSB/2第24页/共39页（3）动态误差（突跳）DAC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（错误

9、输出）。DinVout突跳原因：内部模拟开关切换时间不同步。消除突跳：在DAC输出与负载间插入S/H（将降低系统速度）。DACS/HoutRL第25页/共39页四、典型DAC芯片介绍8位并行CMOS DAC。功耗低（约20mW）、非线性误差小（1/8LSB）；数据锁存器。当CS=WR=0时，输入数据写入锁存器；电源VDD=+5V+15V。模拟输出Vo=010V。第26页/共39页8.4.1 DAC的应用知识一、DAC芯片的选择原则：综合考虑性能、成本、供货周期三个因素。1、给定分辨率确定DAC位数设DAC的满量程范围为FSR，位数为n，则其分辨率为FSR/2n。标称位数8、10、12、16等第

10、27页/共39页例：某DAC的FSR=10V，要求分辨率不低于10mV，试确定其位数。（理论分辨率实际分辨率）解：解：可选10位2、DAC接口特性的选择输入接口：数字量与逻辑电平匹配情况、编码制式、输入方式（串/并）等。输出接口：输出是电压（电流）；单（双）极性；参考电压VR取自内（外）部等。第28页/共39页3、DAC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选择（满足指标要求即可）。二、DAC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，调整时，调整Vo=0

11、。输入全输入全0时，调整时，调整Vo=FSR/2；输入全输入全1时，调整时，调整Vo=FS。输入全输入全1时，调整时，调整Vo=FSR/2。第29页/共39页注意：具体芯片调整电路参考相关资料！图(a)：输入全0并调W1，使Vo=5.0000V；再输入全1，调W2，使Vo=4.9976V。图(b)：电路调整方法基本相同。第30页/共39页三、DAC的功能扩展1、单极性DAC扩展为双极性电压输出输入全0Vo=0输入全1Vo=VR(1-2-n)Dn-1=1，其余全0Vo=VR/2单极性工作若使中间电压为零，即得双极性输出电压。第31页/共39页双极性输出II=VR/2R抵消中间值电流单极性tVo0

12、-VR/2双极性Vot0VR/2Dn-1=1转换前后对比第32页/共39页 AD7524在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下。第33页/共39页2、DAC与微处理器的接口方法当DAC位数大于CPU数据总线宽度的接口方法。例如：8位CPU与12位DAC接口。两次送数一次转换第34页/共39页8位CPU与12位有内缓冲DAC接口第一次送低8位；第二次送高4位同时完成12位数据转换。优点：经济；不足：转换速率降低。第35页/共39页8.4.2 几种DAC的应用电路一、程控增益放大器即用输入改变电阻网络阻值(Rf)。第36页/共39页二、程控信号源原理：按时间顺序将所存储波形的幅度值数据送入DAC中，即可得模拟波形输出。MCU中单周波形数据写入FIFO启动读信号RD从FIFO读出数据入DAC模拟波形输出（用FIFO重传可输出连续信号）。第37页/共39页小结1、模数联系的桥梁：ADC、DAC；2、DAC原理（电阻网络+模拟开关）；3、理解DAC主要性能参数（误差）；4、DAC的基本应用选择、调整、扩展方法；了解典型应用。作业：8.2、8.3 思考题：8.1、8.4、8.5、8.14第38页/共39页感谢您的观看。第39页/共39页