数字电子技术基础教程[夏路易][电子教案]第a11章

第11章数模与模数转换器数字信号转换成模拟信号或是模拟信号转换成数字信号是常用的信号转换技术，在实际中有着广泛的应用。本章先介绍各种数模转换器，然后介绍模数转换器，除介绍工作原理与转换器技术参数外，还介绍几种实际的转换器11.1数模转换数字（Digital）信号转换成模拟（Analog）信号，简称为D/A转换。在很多电子系统中，D/A转换是不可缺少的重要组成部分，。运算放大器符号与电路如图11-1所示。由图11-1（a）所示的符号可知运算放大器（简称运放）具有同相输入端、反相输入端和一个输出端，其放大倍数为A，输入电阻为Ri，放大器输出电压表达式为VO=A（V+-V-），就是说运放放大输入信号之差。通常运放具有正负电源，输出电压VO只能在正负电源之间摆动。若是放大倍数A?，输入电阻Ri?，则为理想运放。因为VO为有限值（正电源电压或是负电源电压），则由表达式VO=A（V+-V-）可知两输入端电位V+-V－?0，说明两个输入端电位相等，相当于短路；又由于Ri??，可知输入电流Ii?0，因此两输入端之间没有真短路，习惯称为虚短路。图11-1（b）所示的是反相运算放大器，其输出信号的相位与输入信号相反。由图可知，由于同相端接地，基于虚短，运放反相端电位为地电位，称为虚地。由于输入电流Ii=0，所以流过电阻R1的电流I1等于流过反馈电阻RF的IF，因此有：OI1F00VVRR--=得到反相放大器输出电压与输入电压之间的关系为：FOI1RVVR=-图11-1（c）是同相运算放大器，由于输入信号VI加在同相端，由于虚短，反相端电压也为VI，因此有IOI1F0VVVRR--=可以得到同相放大器的输出VO与输入电压VI之间的关系为：FOI11RVVR骣=+骣骣由于运放的放大倍数A很大，因此运算放大器可以作为模拟信号比较器，例如，如果V+V－，则输出电压VO近似等于正电源电压值；若是V+V－，则输出电压VO近似等于负电源电压值。11.1.1权电阻D/A转换器权电阻数/模转换器电路如图11-2所示。图中开关分别受数字信号D3～D0控制，当数字信号为1时，开关的动触点连接VREF，数字信号为0时，开关的动触点连接地线。由于运算放大器同相端接地，所以反相端为虚地，电位为0，则有：REF008VIDR=REF114VIDR=REF222VIDR=REF33VIDR=由于运放输入阻抗很大，因此运放输入电流Ii=0，则有REFREFREFREFf012301233210012303REF12REF01233210312222222222222VVVVIIIIIDDDDRDDVDDVDDDDRR骣=+++=+++骣骣骣=+++=+++骣骣（）而运放的输出电压为OffVIR=-。*11.1.2输出电压型R/2R电阻网络D/A转换器图11-5显示的是4位输出电压型R/2R梯形电阻D/A转换器电路。使用的R/2R电阻网络D/A转换器电路如图11-10所示11.1.3输出电流型R/2R电阻网络D/A转换器图11-11所示是4位输出电流型R/2R电阻网络D/A转换器电路11.1.5D/A转换器的技术指标1．台阶电压台阶电压是D/A转换器输入数码每位代表的电压值。n位D/A转换器，具有满度理想输出电压为Vfull，则台阶电压为：VStep=Vfull/2n。台阶电压也是D/A转换器最低位LSB所代表的电压。根据前述D/A转换器工作原理，D/A转换器的满度理想输出电压Vfull就是参考电压VREF，而实际满度输出电压与理想满度输出电压之间相差一个台阶电压，这是因为理想满度输出对应的数字量为2n，而实际满度输出的数字量为2n-1。例如对于理想满度电压为5V的8位D/A转换器，其台阶电压VStep=5V/28=5000mV/256=19.5mV。图11-14（a）显示的是一个8位D/A转换器的实验电路，图中8位加法计数器向8位D/A转换器提供数码，则D/A转换器输出具有台阶的锯齿电压如图11-14（b）所示。8位D/A转换器在数码为00000000时，输出电压VO为0V；当数码为00000001时，输出为19.5mV。……当数码为11111110时，输出为4.96V。当数码为11111111时，输出为4.98V。由上所述，对于D/A转换器来说，只能输出台阶电压值，在台阶电压之间的模拟电压值是不能输出的。2．分辨率D/A转换的分辨率是每个台阶代表的模拟电压值占理想满度输出电压Vfull的百分比，因此n位D/A转换器的分辨率为：分辨率=VStep/Vfull=1/2n因为分辨率与D/A转换器的位数成固定关系，所以有时人们也常把D/A转换器的位数称为分辨率，位数越大，分辨率越高。例如，8位D/A转换器的分辨率约为0.4%；10位D/A转换器的分辨率约为0.1%；12位D/A转换器的分辨率约为0.024%。3．精度D/A转换器的精度是实际输出与理想输出之间的偏差，通常用D/A转换器满度输出电压的百分比误差表示。例如，如果D/A转换器的满度输出电压为10V，实际输出是9.990V，误差为10mV，则精度用百分比误差表示为（10V-9.990V）/10V=0.1%。影响D/A转换器精度的因素主要为分辨率、单调性、偏移误差、增益误差、微分非线性误差与线性误差等。（1）偏移误差偏移误差又称为零点误差或失调误差。当D/A转换器的输入数字为全0时，则D/A转换器输出电压应该为0V，但是由于偏移误差的存在，D/A转换器输入数字为0时，输出电压不为0V，这个差别就是偏移误差。偏移误差示意图如图11-15（a）所示。在一定温度下偏移误差可以用在模拟输出电压上叠加一个可调整电压的方法消除。（2）增益误差实际D/A转换器转换函数（直线）与理想转换函数（直线）之间的角度差引起的误差。常由参考电压VREF引起。因为VO=（VREF/2n）输入数字，因此VREF/2n是增益系数。增益误差示意图如图11-15（b）所示。在消除偏移误差后，向D/A转换器输入全1数码，其实际输出与理想输出之间的偏差就是增益误差，一般以LSB为单位表示，或是相对于满度输出的百分比表示。当温度固定时，可以通过调整参考电压VREF来校正增益误差。（3）线性误差线性误差是D/A转换器实际传输特性与理想传输特性之间的最大偏差，并以该偏差相对于满度输出电压的百分数表示。又称为积分非线性误差，因此线性误差描述的是传递函数的形状。该误差示意图如图11-16（a）所示。D/A转换器的非线性误差不容易用外部校正方法补偿，但是可以通过调整零点和满度输出点使该误差均匀分布在理想直线的两侧，而使非线性误差最小，这种情况如图11-15（b）所示。（4）单调性以加法计数器输出作为输入的D/A转换器，如果输出像楼梯一样梯形的递升电压，则称为单调D/A转换器。但有时由于模拟开关内阻、电阻网络中电阻值不一致、制作工艺等问题，D/A转换器会出现非单调性引起的误差，图11-17所示的是单调性输出与具有误差的非单调性输出的情况。（5）微分非线性误差两相邻输入数字对应模拟量之差，减去1个LSB对应的模拟量，就是微分非线性误差。例如，输入数字001与010之间的模拟量之差为1.5LSB，则误差为0.5LSB。该误差主要由D/A转换器电阻网络中的电阻、切换开关导通电阻等误差引起。该误差示意图如图11-17（b）和图11-17（c）所示。如果用LSB来描述微分非线性误差，则-1LSB表示转换器的输出出现了丢码，也就是转换器输出不随数字量的增加而增加，而是数字量增加一个LSB，但是输出没有跟着增加一个LSB的电压。转换器不丢码是一项重要的技术指标。4．建立时间建立时间是完成一次转换需要的时间，就是从数字量加到D/A转换器的输入端，到输出达到该数字量产生模拟量99.95%所需要的时间。该时间越短说明转换速度越快，或者说转换频率越高，通常建立时间的范围为50ns～20ms之间。11.1.6D/A转换器0832D/A转换器0832是采用CMOS工艺的8位D/A转换器。该转换器内有两级输入寄存器，使D/A转换器0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以适用于各种电路的需要（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。该转换器的转换结果可采用电流或电压形式输出。引脚兼容TTL电平，可直接与TTL电路或单片机电路连接。主要参数如下：①8位分辨率；②在零点与满度调整后，最大非线性误差0.2%FSR（满度）；③在零点与满度调整后，最大微分非线性误差0.4%FSR（满度）；④最大增益误差1%FSR（满度）；⑤电流建立时间：1ms。1．内部结构该芯片的内部结构如图11-18所示。1．内部结构该芯片的内部结构如图11-18所示，图中8位输入寄存器用8D触发器构成，常用于连接单片机，接收单片机送来的数字信号；8位D/A转换寄存器也是用8D触发器构成的，该寄存器接收输入寄存器送来的数字信号，锁存后直接送到8位D/A实现D/A转换；双缓冲的第一个优点是，可以按照数据源的时序随时更新D/A转换器输入寄存器的数据，第二个优点可以使一个系统中用一个触发信号同时更新多个D/A转换器输出的模拟电压。D/A转换器0832内部电路如图11-19所示2．控制信号ILE：数据锁存允许控制信号，高电平时寄存器跟随输入数据，低电平锁存数据。CS：片选信号输入信号，低电平有效。1WR：写输入寄存器信号。上述3个信号形成控制8位输入寄存器的输入信号11LE=ILECSWR（）。LE1高电平时，数据进入输入寄存器；LE1低电平时，数据锁存在输入寄存器中。XFER：数据传送控制信号，低电平有效。2WR：写D/A转换寄存器信号。上述2个信号形成控制8位D/A转换寄存器的输入信号22LEXREFWR=g（）。LE2高电平时，数据进入D/A转换寄存器；LE1低电平时，数据锁存在D/A转换寄存器中。D0～D7：数据输入引脚。IOUT1电流输出引脚1。当输入全为1时IOUT1最大，当输入全为0时，IOUT1为0。IOUT2电流输出引脚2。IOUT2与IOUT1之和为一常数。Rfb连接芯片内部的反馈电阻Rf的引脚。该电阻的阻值与梯形网络电阻R相等，阻值为15kW。由于该电阻在芯片内部，具有和梯形网络相同的温度系数，因此可以部分消除温度引起的误差。VREF:参考电源引脚(-10V～+10V)，高精度参考电压源通过该引脚连接R/2R梯形网络。VCC:电源引脚(+5V～+15V)。GND：地线引脚10。在电流输出情况下，该引脚与IOUT1、IOUT2引脚之间的电平偏移VOS将引起线性误差增加，误差可用公式VOS/3VREF计算。例如，在VREF=10V，若引脚10与IOUT1、IOUT2的电动势差VOS为9mV时，则线性误差增加0.03%，因此应该保证VOS为最小。GND：地线引脚3。该引脚的电压偏移可使逻辑输入阈值变化。3．信号时序该转换器的信号时序如图11-20所示。tS电流建立时间：1ms。tW最小写信号1WR、2WR和传输信号XFER的宽度：900ns。tDS最小数据建立时间：900ns。tDH最小数据保持时间：50ns。tCS最小片选信号建立时间：1100ns。tCH最小片选信号保持时间：0ns。通常情况下，WR的脉冲宽度tW为900ns，但是在15V电源电压时，tW为200ns就可以正常工作。4.工作模式（1）双缓冲模式在双缓冲模式，需要两次写操作才能更新D/A转换器的输出，第一次写操作更新输入寄存器，第二次写操作更新D/A转换寄存器。双缓冲模式时序图如图11-21所示。双缓冲模式常用于一个单片机系统中有多个D/A转换器的情况。（2）单缓冲模式当一个单片机系统中只有一个D/A转换器时，可以使用单缓冲模式，在单缓冲模式中，输入寄存器锁存输入数据，D/A转换寄存器直通。单缓冲模式的时序图如图11-22所示。（3）直通模式在直通模式，单片机的I/O接口连接在D/A转换器0832的数据输入端，直接向D/A转换器输出数据，而不输出任何控制信号。D/A转换器0832的控制信号ILE连接高电平，CS、1WR、XFER、2WR信号接地