资源描述
,8.1概述,模拟信号,(,Analog Signal,),：,时间和幅度均连续变化的信号。,数字信号,(,Digital Signal,),：,时间和幅度离散且按一定方式编码后的脉冲信号。,模数转换器：,完成模拟到数字信号转换的器件。简写为,ADC,或,A/D,。,数模转换器：,完成数字到模拟信号转换的器件。简写为,DAC,或,D/A,。,8.1概述模拟信号(Analog Signal)：时,模拟、数字控制系统对比,传感器,信号调理,A/D,D/A,执行设备,微处理器,功率放大,数字控制系统,工业现场,传感器,信号调理,信号处理,功率放大,执行设备,模拟控制系统,工业现场,模拟、数字控制系统对比传感器信号调理A/DD/A执行设备微处,模拟控制系统,数字控制系统,适应性,信号处理复杂,适应性强,可控性,不易改变控制参数,易改变控制参数和模型,控制精度,低,高,后处理,数据记录、处理很不方便,数据记录、处理方便,模拟控制系统数字控制系统适应性信号处理复杂适应性强可控性不,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。,随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字电路与模拟电路联,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,8.2 数模转换器DAC十进制数P(转换系数)决定系数,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,2,n,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,）。,8.2.1 几种DAC的工作原理一、Kelvin分压器,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,二、二进制加权型DAC权阻电路数位反相基准,4,位的权电流网络,DAC,电路,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。,4位的权电流网络DAC电路权电阻网络优点：结构简单；缺点,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,D,i,=1,接,-,D,i,=0,接,+,三、倒梯形R-2R网络DAC权电阻网络优点：结构简单；缺,其余全为,0,时,当,D,i,=“1”,当,D,n-2,=“1”,当,D,n-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。,其余全为0时当Di=“1”当Dn-2=“1”当Dn-1=“1,满量程,(,FS,),：,单,极性,DAC,输入全,“,1”,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,),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。,D,n-1,D,n-2,.,D,1,D,0,MSB,LSB,8.2.2 DAC的主要参数,满量程(FS)：单极性DAC输入全“1”时输出的模拟值,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：,DAC,的主要参数,1LSB,单位表示（,如,1LSB,、,LSB/2,）,以,%FSR,表示（,即,FSR,的百分之一,）。,以,ppm,表示,即,FSR,的百万分之一为单位表示。,以输出的实际误差表示（,mV,、,V,等,）,1、静态参数（误差参数）DAC的主要参数 1LSB单位表,例题：,某,DAC,数字位,n=12,，,FSR=10V,。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：,例题：某DAC数字位n=12，FSR=10V。试用四种误差,2,、转换误差,零点（失调）误差,输入数字量,D,为,0,，输出模拟量,A,不为零。,2、转换误差 零点（失调）误差,b,）零点,(,失调,),温度系数,漂移,4,3,2,1,D,in,OUT,O,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。,b）零点(失调)温度系数 漂移4321DinOUTO图8.1,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,。,c）增益误差 实际输出特性曲线斜率与理想,d,）增益温度系数,漂移,4,3,2,1,D,in,OUT,O,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。,d）增益温度系数 漂移4321DinOUTO图8.1.9,e,）积分非线性,实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。,e）积分非线性 实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。,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,。,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,O,D,in,A,OUT,2LSB,4LSB,a,b,c,图,8.1.11 DAC,的微分线性误差,下图中，,a,、,b,两点的微分线性误差为,:,ODinAOUT2LSB4LSBabc图8.1.11,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。,g)微分线性误差温度系数 单位温度变化所引起的DAC微,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。,若输入数据单调增加1LSB时，输出电压或电流反而减小，则,例,:,b,、,c,两点的微分线性误差为,：,不具有单调性。,O,D,in,A,OUT,2LSB,4LSB,b,c,图,8.1.11 DAC,的微分线性误差,a,例:b、c两点的微分线性误差为：不具有单调性。OD,3,、,DAC,的其它主要参数,分辨率,DAC,的,FSR,被,2,n,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。,3、DAC的其它主要参数 注意：在自动控制系统中使用的DA,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,t,s,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,解：分辨率为8位，也可表示为例8.1.2 一个满量程电,（,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（,错误输出,）。,D,in,V,out,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,）。,DAC,S/H,out,R,L,（3）动态误差（突跳）DinVout突跳原因：内部模拟开,四、典型,DAC,芯片介绍,8,位并行,CMOS DAC,。功耗低（约,20,mW,）、非线性误差小（,1/8,LSB,）；数据锁存器。,当,CS=WR=0,时，输入数据,写入锁存器,；电源,V,DD,=+5V,+15V,。模拟输出,V,o,=0,10V,。,四、典型DAC芯片介绍8位并行CMOS DAC。功耗低（约,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/2,n,。,标称位数,8,、,10,、,12,、,16,等,8.4.1 DAC的应用知识一、DAC芯片的选择原则,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：,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,V,R,取自内（,外,）部等。,例：某DAC的FSR=10V，要求分辨率不低于10mV，试,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,DAC,双极性,DAC,输出电压,0,FS,V,R,(1-2,-n,),FSR/2,FSR/2,调整方法,先调零点再调增益,输入全,0,时，调整,V,o,=0,。,输入全,0,时，调整,V,o,=,FSR/2,；,输入全,1,时，调整,V,o,=FS,。,输入全,1,时，调整,V,o,=,FSR/2,。,3、DAC转换速度的选择二、DAC的调整单极性DAC双极性D,注意：,具体芯片调整电路参考相关资料！,图,(a),：输入,全,0,并调,W,1,，使,V,o,=,5.0000V,；再输入,全,1,，调,W,2,，使,V,o,=4.9976V,。,图,(b),：电路调整方法基本相同。,注意：具体芯片调整电路参考相关资料！图(a)：输入全0并调,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,0,V,o,=0,输入,全,1,V,o,=,V,R,(1-2,-n,),D,n-1,=1,，其余,全,0,V,o,=,V,R,/2,单极性工作,若使中间电压为零，即得双极性输出电压。,三、DAC的功能扩展1、单极性DAC扩展为双极性电压输出输入,双极性输出,I,I=V,R,/2R,抵消中间值电流,单极性,t,V,o,0,-V,R,/2,双极性,V,o,t,0,V,R,/2,D,n-1,=1,转换前后对比,双极性输出II=VR/2R单极性tVo0-VR/2双极,AD7524,在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下。,AD7524在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下,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,2、DAC与微处理器的接口方法两次送数,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。,8位CPU与12位有内缓冲DAC接口第一次送低8位；第二,8.4.2,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,(,R,f,),。,8.4.2 几种DAC的应用电路一、程控增益放大器即用,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
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