第7章-模数、数模转换(全)

第7章数/模和模/数转换•本章主要内容：•7.1基本概念•7.2数/模转换器(DAC)•7.3模/数转换器(ADC)•7.4综合应用举例7.1基本概念•将模拟量转换为数字量的过程称为模/数(AnalogtoDigital)转换，简称A/D转换。•实现A/D转换的电路被称之为模/数转换器(AnalogtoDigitalConverter)，简称ADC。•把数字量转换为模拟量的过程称作数/模(DigitaltoAnalog)转换，简称D/A转换。•完成D/A转换的电路被称之为数/模转换器(AnalogtoDigitalConverter)，简称DAC。7.1基本概念•D/A转换器的种类:二进制权电阻DAC、R-2R倒T型电阻网络DAC及集成DAC器件DAC0832。•A/D转换器的种类:并联比较型ADC、反馈比较式ADC、双积分型ADC和集成ADC器件ADC0809。•转换精度和转换速度是评价A/D转换器和D/A转换器性能优劣的主要指标。一方面，为了保证数据处理结果的准确性，D/A转换器和A/D转换器必须有足够的转换精度；另一方面，为了适应快速过程的控制和检测的需要，A/D转换器和D／A转换器还必须有足够快的转换速度。7.2数/模转换器(DAC)•7.2.1二进制权电阻DAC一个多位二进制数中每一位所代表的数值大小称为这一位的权。实现数/模转换的基本方法是用电阻网络将数字量按照每位数码的权转换成相应的模拟量，然后用求和电路将这些模拟量相加完成数/模转换。DAC的输入是数字信号。它可以是任何一种编码，常用的是二进制码。输入可以是正数，也可以是负数，通常是无符号的二进制数。7.2数/模转换器(DAC)•7.2.1二进制权电阻DAC四位二进制权电阻DACRFVREFS3S2S1S0+-A20R21R22R23Ra3a2a1a07.2数/模转换器(DAC)•7.2.1二进制权电阻DAC)2222(2001122333REFaaaaRV303REF)2(2iiiaRV由图7-1可以得到)2222(2001122111REFaaaaRVinnnnnI101REF)2(2niiinaRV当输入的数字量超过4位时，每增加一位只要增加一个模拟开关和一个电阻即可。对于n位权电阻DAC有：7.2数/模转换器(DAC)•7.2.1二进制权电阻DAC在运算放大器为理想的条件下可以得到101FREFFF)2(2niiinoaRRVRiv权电阻DAC的优点是电路简单，但当位数较多时，电阻的值域范围太宽。例如，一个12位的权电阻DAC，=10V，最高位权电阻阻值为1kΩ，则最低位权电阻阻值为211×1kΩ=2048kΩ=2.048MΩ。由于对高位权电阻的精度和稳定性要求较高，使得制作含有阻值大、精度要求又高的集成电路很困难。REFV7.2数/模转换器(DAC)•7.2.2R-2R倒T型电阻网络DAC•R-2R倒T型电阻网络DAC如图7-2所示。它只有R和2R两种电阻，克服了二进制权电阻DAC电阻范围宽的缺点。图中的S3～S0为模拟开关，受DAC输入数字量a3～a0的控制。ai=1时，Si接运算放大器的虚地端；ai=0时，Si接地。•可见，在这个电路的各个支路中，无论输入数字量是0或1，开关Si均相当于接地，因此Si无论是接地或接虚地端，流入每个2R支路的电流都是不变的。7.2数/模转换器(DAC)•7.2.2R-2R倒T型电阻网络DAC图7-2倒T型电阻网络DAC0i2-iA↓iB↓S10IRRRR110iC↓i3i1i0VREFS3S2S0IR16RF2R2R2R2R2R+iI110ABCDAiF7.2数/模转换器(DAC)•7.2.2R-2R倒T型电阻网络DAC由A、B、C、D各节点向下和向右看的两条支路的等效电阻都是2R，各节点到地的等效电阻则为R。所以每条支路的电流都是流入其左侧节点电流的一半。由上述分析可以写出图7-2中各支路的电流为：7.2数/模转换器(DAC)•7.2.2R-2R倒T型电阻网络DAC考虑到数字量的控制作用，流入运算放大器的电流可写作：)2222(200112211REFaaaaRVinnnnnI10REF)2(2niiinaRV对于n位倒T型电阻网络DAC，可以写出0R1R2R3RI16842aIaIaIaIi)2222(2001122334REFaaaaRV304REF)2(2iiiaRV7.2数/模转换器(DAC)•7.2.2R-2R倒T型电阻网络DACIFiiFFRivo10FREF)2(2niiinaRRV由于，所以•T型网络DAC除了具有电路简单、电阻种类少的特点外，还具有转化速度快的特点。这是由于在电路中，各支路电流不变，所以不需要电流建立时间。因此T型网络DAC是目前使用最多、速度较快的一种。•【例7-1】已知倒T型电阻网络DAC的RF=R，VREF=8V，试分别求出四位和八位DAC的最小输出电压(即在DAC的输入数字量中只有最低有效位为1时的输出电压)和最大输出电压(即在DAC的输入数字量中各有效位都为1时的输出电压)的数值。7.2数/模转换器(DAC)•7.2.2R-2R倒T型电阻网络DAC解：(1)最小输出电压，即在DAC的输入数字量中只有最低有效位时的输出电压。四位DAC(n=4)的最小输出电压为：八位DAC(n=8)的最小输出电压为：VRRaRRVniiin5.0128)2(2410FREFVRRaRRVniiin031.012822810FREF(2)最大输出电压，即在DAC的输入数字量中各有效位都为1时的输出电压。四位DAC(n=4)的最小输出电压为：八位DAC(n=8)的最小输出电压为：VRRaRRVniiin97.7)12(28)2(28810FREFVRRaRRVniiin5.7)12(28)2(24410FREF7.2数/模转换器(DAC)•7.2.2R-2R倒T型电阻网络DAC•【例7-2】已知倒T型电阻网络DAC的RF=2R，VREF=８V，试分别求出四位和八位DAC的最小输出电压Vomin的数值。•解：与【例7-1】类似，可以写出四位DAC的最小输出电压为：VRRaRRVniiin11228)2(2410FREFVRRaRRVniiin063.0122822810FREFFFominRivFFominRiv八位DAC的最小输出电压为：7.2数/模转换器(DAC)•7.2.3DAC的主要技术指标1.分辨率DAC常用分辨率来表示分辨最小电压的能力。分辨率等于DAC所能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比。最大输出电压最小输出电压分辨率最小输出电压是指输入数字量只有最低有效位为1时的输出电压，最大输出电压是指输入数字量各位全为1时的输出电压，于是分辨率=121n7.2数/模转换器(DAC)•7.2.3DAC的主要技术指标2.转换误差•在DAC的各环节中，不可避免地会出现误差。转换误差常用满刻度FSR(FullScaleRange)的百分数来表示。•DAC产生的误差主要与参考电压VREF的波动、运算放大器的零点漂移、电阻网络电阻值的偏差以及模拟开关的导通电阻和导统电压的变化等相关。7.2数/模转换器(DAC)•7.2.3DAC的主要技术指标3.建立时间通常用建立时间来定量描述数模转换器的转换速度。建立时间是指数字信号由全1变为全0或由全0变全1起，直到输出模拟信号电压达到稳态值±1/2LSB范围以内的这段时间。图7-3DAC的建立时间V00t+0.5LSB稳态值tset7.2数/模转换器(DAC)•7.2.3DAC的主要技术指标•【例7-3】若DAC的最大输出电压为10V，要想使转换误差在10mV以内，应选多少位DAC？•解：要想转换误差在10mV以内，就必须能分辨出10mV电压。本题中，最小输出电压为10mV，最大输出电压为10V，可以写出分辨率=1000110101031024210，所以，根据分辨率与精度的关系，至少需要10位DAC，若考虑其它因素，需选12位DAC。7.2数/模转换器(DAC)•7.2.4集成DAC集成DAC电路的种类很多。按照输出方式的不同，集成DAC电路分为电流输出DAC和电压输出DAC；按照输入方式的不同，集成DAC电路可分为并行输入DAC和串行输入DAC。DAC的芯片型号繁多，如美国国家半导体公司(NationalSemiconductorCorporation)生产的8位电流输出、并行输入的DAC0832，美国模拟器件公司(AnalogDevices,Inc.,简称ADI)生产的12位串行输入、电流输出的AD7543等。7.2数/模转换器(DAC)•7.2.4集成DAC•1.DAC0832•(1)电路结构•DAC0832是并行输入、电流输出的数/模转换电路，它也可以连成电压输出型。它是采用CMOS工艺制成的20引脚双列直插式8位D/A转换器。7.2数/模转换器(DAC)•DAC0832八位输入寄存器八位DAC寄存器八位DACDDDDQQQQ1314151645678121193102019121817DI7DI0(MSB)(LSB)ILECSWR1WR2XFERVREFIO2IO1RfbAGNDVCCDGND7-4DAC0832集成模/数转换器结构框图框图&&&DI6DI5D7D7DI2DI1DI3D77.2数/模转换器(DAC)•DAC0832DAC0832内包含两个数字寄存器：八位输入寄存器和八位DAC寄存器，故称为双缓冲方式。两个寄存器可以同时保存两组数据，可以先将八位输入数据保存到输入寄存器中，当需要转换时，再将此数据由输入寄存器送到DAC寄存器中锁存并进行D/A转换输出。采用双缓冲方式的优点：1.可以防止输入数据更新期间模拟量输出出现不稳定的情况；2.可以在模拟量输出的同时将下一次要转换的二进制数事先存入缓冲器中，从而提高了转换速度；3.可以同时更新多个D/A转换的输出，为有多个D/A转换器件的系统、多处理系统中的D/A器件协调一致地工作带来了方便。7.2数/模转换器(DAC)•DAC0832•IO1是正比于参考电压和输入数字量的电流，而IO2是正比于输入数字量的反码，即：•用电压方式工作时，参考电压接到一个电流输出端(二进制原码接IO1端，反码接IO2端)，输出电压从原来的VREF端得到，如图7-5(b)所示。为了减小输出电阻，增加驱动能力，通常用运算放大器作缓冲。DAC0832的主要特点如下：①可与所有八位微处理器直接相连；②输入数字量为八位二进制代码；③逻辑电平与TTL电平兼容；④电流建立时间为1us。708REF1o)2(2iiiaRVI)1)2(2(27088REFo2iiiaRVI7.2数/模转换器(DAC)•DAC0832图7-5R-2R梯形网络连接方式7.2数/模转换器(DAC)•DAC0832图7-6DAC0832集成模/数转换器引脚排列1234567891011121314151617181920CSWR1WR2GNDVCCDI3DI2DI1DI0DI4DI5DI6DI7IO2IO1VREFRfbGNDILEXFERDI0～DI7：八位数字量输入。DI0为最低位，DI7为最高位。Io1：电流输出端1。DAC寄存器输出全1时，输出电流最大，DAC寄存器输出全为0时，输出电流为0。电压型电阻网络时接参考电压。Io2：电流输出端2。Io1+Io2=VREF/R=常数。电压型电阻网络时接地。Rfb：反馈电阻端。芯片内部接反馈电阻的一端，电阻的另一端与Io1相连；与运放连接时，Rfb接输出端，Io1接反向输入端。VREF：参考电压输入端，一般接-10V～+10V范围内的参考电压