数模与模数转换器

概述D/A转换器A/D转换器第九章数模与模数转换器DigitalAnalogConverterandAnalogDigitalConverter第九章数模与模数转换器教学要求1.掌握倒T形电阻网络D/A转换器(DAC)、集成D/A转换器7533的工作原理及相关计算。2.正确理解D/A转换器的两种输出方式。3.掌握并行比较、逐次比较、双积分A/D转换器(ADC)的工作原理及其特点。4.了解D/A转换器、A/D转换器的主要技术指标及典型应用。D/A转换、A/D转换的应用模拟传感器A/D转换器数字控制计算机D/A转换器模拟控制器工业生产过程控制对象ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。传感器(温度、压力、流量、应力等）计算机进行数字处理（如计算、滤波）、数据保存等用模拟量作为控制信号能将模拟信号转换成数字信号的电路称为模数转换器(A/D)；而将能将数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（D/A);转换精度和速度是衡量它们的重要技术指标。9·1D/A转换器（DAC）NB是n位二进制代码的输入数字量。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。此即D/A转换器的基本思想。1.n位D/A转换器的示意图如下：9.1.1D/A转换器的基本原理D0D1•••vOD/A转换器Dn-2Dn-1NB(iO)2.对D/A的基本要求:输出模拟量与输入数字量值成正比。001010011100101110Dvo/V0654321D0D1D2D3D4D5vODAC3.4位D/A转换器的原理电路如图9.1.2所示：图9.1.2锁存器D0D1D2D3数字量输入或者悬空300011223322222iiiREFREFfODVDDDDVRRv电路由电子开关、权电阻网络、求和电路、基准电压、锁存器等组成。如Rf=R,由图得9图题7.1.5300011223322222iiiREFREFfDVDDDDVRR4.n位D/A转换器的一般方框图如下：基准电压n位模拟开关解码网络求和电路数码寄存器n位数字量输入模拟量输出解码网络一般有倒T形电阻网络、T形电阻网络、权电流网络等；电子开关也有TTL型和CMOS型，据此不同的组合可有不同类型的D/A转换器。9.1.2倒T形电阻网络D/A转换器1.4位倒T形电阻网络D/A转换器的工作原理-+RfRRR2R2R2R2R2RI/8S0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3I/2I/4I/16I/2I/4I/8I/16v0+VREFi∑(MSB)I图9.1.4倒T形电阻网络D/A转换器Si由Di控制，Di＝0时，Si将电阻2R接地；Di＝1时，Si将电阻2R接（相应电流也送）运放“－”端。处于线性运用状态的运放，虚地使每条2R电阻支路的电流恒定，与开关状态无关。30413223140222222iiiREFREFDRVDDDDRvi由图可得流入运放的总电流-+RfRRR2R2R2R2R2RI/8S0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3I/2I/4I/16I/2I/4I/8I/16v0+VREFi∑(MSB)I分析电路可知，从每个节点向左看，每个二端网络的等效电阻均为R。与开关相连的电阻2R上的电流从高位到低位按2的负整数幂递减。如图所示输出电压位二进制数。为其中位转换的一般关系式：位可得将输入数字量扩展到nDNVRRKKNDVRRVnnDVRRRiVniiiBnREFfBniiinREFfOiiiREFffO10103042,22222可见电路中输入的每一个二进制数NB,均能在其输出端得到与之成正比的模拟电压VO。常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有AD7520（10位）、AD7533（10位）及AK7546（16位高精度）等。BniiinREFfOKNDVRRV1022由上式可见，要提高D/A转换器的转换精度，电路参数的选择要注意以下几点：①基准电压要稳定，要求高时可选用带隙基准电压源。②倒T型电阻网络中R和2R电阻的精度要高。③每个模拟开关的开关电压降要相等。以保证各支路的电流按2的整数倍递减。④运放的零点漂移要小。2.集成D/A转换器⒈AD7533D/A转换器AD7533D/A转换器是10位CMOS电流开关形D/A转换器，为电流输出型。使用时外加运放，反馈电阻可外加或用片内电阻。图9.1.5AD7533内部电路2R-+RF2RD9RR2R2RD7D8v0+VREFR10kΩ20kΩ10kΩIOUT1IOUT2R2R2R2RD0D1D2RRS0S9S1S2S7S8图9.1.5电路AD7533引脚图18234567IOUT1GND169151413121110RFIOUT2D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0V+VREFT1~T3组成电平转移电路,使输入信号能与TTL电平兼容，即使TTL的高电平提高以适应CMOS的需要。Di=1时，T9导通，权电流经T9流入运放的反相端；Di=0时，T8导通，权电流经T8接地。图9.1.6CMOS模拟开关电路2RRRT1T2T3T4T5T6T7T8T9IOUT2IOUT1VDDDi2.电子开关电路之一T9驱动电路T8驱动电路9·1·3权电流型D/A转换器由于倒T电形阻网络D/A转换器存在模拟开关电压降，会产生转换误差，权电流型D/A转换器可以提高转换精度。v0-+RfS0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3-VREFi∑(MSB)I/2I/4I/8I/16图9.1.7权电流D/A转换器的原理电路用一组恒流源代替T型电阻网络1.4位权电流型D/A转换器上图电路中，当输入数字量的某一位代码Di=1时，开关Si接运放的反相输入端，相应的权电流流入求和电路；当Di=0时，开关Si接地分析该电路，可得出3040011223340123222222216842iiiffffODRIDDDDRIDIDIDIDIRRiV-+RfS0S1S2S3D0(LSB)D1D2D3-VREFi∑(MSB)I/2I/4I/8I/16电路分析：采用了恒流源电路后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。,...2/,2331IIIRVIIEEREFREF图9.1.8实际的权电流D/A转换器电路VREFRf恒流源采用了具有电流负反馈的BJT恒流源电路。给各管提供基极偏流×RR2R2Rv0-VEE-+S0S1S2S3D3(LSB)D2D1D0i∑(MSB)IE3I/4I/8A2R1-+16I16I2R2R2RRRIECIEOIE1IE2IREFTrT3T2T1TOTCIBBI=IREF=VREF/R1偏置电流A1I/22.实际的权电流D/A转换器对实际的权电流D/A转换器电路分析可得到输出电压为101001122331422/22222niiinfREFOREFffODRRVVADTnDDDDRVRRiV转换器的输出电压形权电流位倒由此可推得上式表明，基准电流IREF即输出电压VO仅与基准电压VREF和电阻R1有关，而与BJT、R、2R电阻无关。这样，电路降低了对BJT参数及R、2R取值的要求，对于集成化十分有利。常用的此类转换器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。9·1·4D/A转换器的输出方式常用的D/A转换器绝大部分是数字电流转换器，输出量是电流。如要实现电压输出，还须转换。输出电压或为0伏到正满度值，或为0伏到负满度值的称为单极性输出方式。采用单极性输出方式时，输入数字量采用自然二进制码。对权电流D/A转换器，如果R1=Rf,则有1022niiinREFODVV对倒T型电阻网络D/A转换器，如果R=Rf,则有1022niiinREFODVV±VREF（255/256）︰±VREF（129/256）±VREF（128/256）±VREF（127/256）︰±VREF（1/256）±VREF（0/256）11111111︰100000011000000001111111︰0000000100000000模拟量数字量MSBLSB表9.1.18位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路如下：对图（a)有+RFi∑倒T形电阻网络D/A转换器VOD0D1Dn-1VREF(a)反相输出D/A转换器的单极性电压输出fORiV对图（b)有121RRRiVOD/A转换器的单极性电压输出+i∑倒T形电阻网络D/A转换器VOD0D1Dn-1VREFR1R2R(b)同相输出在实际应用中，D/A转换器输入的数字量有正极性也有负极性。这就要求D/A转换器能将不同极性的数字量对应转换为正、负极性的模拟电压，工作于双极性方式。双极性D/A转换器常用的编码有：2的补码、偏移二进制码及符号-数值码（符号位加数值码）等。下表是对应关系。表9.1.2常用双极性及输出模拟量十进制数2的补码偏移二进制码模拟量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D0VO/VLSB1271260111111101111110：1111111111111110：127126：10-1-127-128000000010000000011111111：1000000110000000100000011000000001111111：000000010000000010-1：-127-128256REFLSBVV表中比较表9·1·2和表9·1·1可见，偏移二进制码与无符号二进制码形式上相同，它实际上是将二进制码对应的模拟量的0值偏移至80H，使偏移后的数中，只有大于128的才是正数，而小于128的则为负数。所以，若将单极性8位D/A转换器的输出电压减去VREF/2(80H所对应的模拟量），就可得到极性正确的偏移二进制码输出电压。若D/A转换器输入数字量是2的补码，则先将它转换为偏移二进制码，然后输入到上述D/A转换电路中就可实现其双极性输出。而2的补码加80H并舍弃进位就可得到偏移二进制码。实现2的补码加80H只需将2的补码的高位求反即可。于是可得采用2的补码输入的8位双极性输出D/A转换电路如下：由图得222217778REFBREFREFIOVDDNVVVVA12R1D08位倒T形电阻网络D/A转换器D1VREF1D2D3D4D5D6D7i∑+R=RfVI+R1VONBR1A29·1·5D/A转换器的主要技术指标⒈分辨率分辨率是D/A转换器对输入微小量变化敏感程度的表征。其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。等级越多，分辨率愈高。所以，实际应用中，n位D/A转换器的分辨率用输入数字量的位数来表示，也可以用级数2n表示，还可以用分辨最小输出电压与最大输出电压之比表示，即n位D/A转换器的分辨率可表示为121n它表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。9·1·5D/A转换器的主要技术指标2.转换精度D/A转换器实际输出的模拟量与理论值之间存在误差，因而将这些误差的最大值定义为转换精度。转换误差有比例系数误差、失调误差和非线性误差。（1）比例系数误差：实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。如在n位倒T形电阻网络D/A转换器中，当VREF偏离标准值△VREF时，就会在输出端产生误差电压△VO所示。图误差如三位转换器的比例系数数误差。引起的误差属于比例系由101·92210REFniiifnREFVDRRV△VO=001010011100101110111VO/VREF07/