第十一章數(shù)-模1

第十一章

數(shù)-模（D/A）和模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverterA/D

轉(zhuǎn)換器

D/A

轉(zhuǎn)換器

模擬

控制器

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制對(duì)象

模

擬

傳感器

ADC和DAC已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。將溫度、壓力、流量、應(yīng)力等物理量轉(zhuǎn)換為模擬電量。計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理（如計(jì)算、濾波）、保存等用模擬量作為控制信號(hào)數(shù)字控制

計(jì)算機(jī)11.1概述一、用途溫度時(shí)間放大器A/D轉(zhuǎn)換微型計(jì)算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換控制對(duì)象電加熱爐傳感器熱電偶1)一路溫度控制信號(hào)電路結(jié)構(gòu)如溫度時(shí)間執(zhí)行機(jī)構(gòu)模數(shù)轉(zhuǎn)換器：能將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器：能將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。2)多路溫度控制信號(hào)電路結(jié)構(gòu)二、分類間接型反饋比較型-變換型FVDA/直接型并聯(lián)比較型-變換型TV按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC按模擬電子開關(guān)電路分類CMOS開關(guān)型DAC雙極型開關(guān)型DAC電流開關(guān)型DACECL電流開關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)

換

器

①每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量1、實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想ND＝b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×23＋0×22＋0×21＋1×20如將二進(jìn)制數(shù)ND＝(1001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。11.2D/A轉(zhuǎn)換器將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。（按權(quán)展開式）由上式可知D/A轉(zhuǎn)換的基本思想

②將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量③設(shè)計(jì)完成上述功能的電路就可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。O=–KuNB

或iO=–KiNB

2、D/A轉(zhuǎn)換器的組成:DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入

用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼

由輸入數(shù)字量控制

產(chǎn)生權(quán)電流

將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓D=111101…D/AA(電壓或電流)？LSB：LeastSignificantBitMSB：MostSignificantBit11.2.1權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器一、電路結(jié)構(gòu)和工作原理優(yōu)缺點(diǎn)：1.優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單2.缺點(diǎn)：電阻值相差大，難于保證精度，且大電阻不宜于集成在IC內(nèi)部Di=0,Si則將電阻2R接地(同相端)Di=1,Si接運(yùn)算放大器反相端，電流Ii流入求和電路

電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器輸出模擬電壓輸入4位二進(jìn)制數(shù)根據(jù)運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)虛地的概念可知，無(wú)論模擬開關(guān)Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻將接“地”或虛地。1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)電壓組成：電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開關(guān)求和運(yùn)算放大器11.2.2倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC目的是：希望用較少類型的電阻，仍然能得到一系列權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I=？流過(guò)各開關(guān)支路的電流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每個(gè)2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R流入運(yùn)放的總電流：i＝I0+I1+I2+I3輸出模擬電壓：

I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：n位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：令：則O=–KNB

在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出?？赏瓿汕懊婊舅枷擘谑褂?1)要外接運(yùn)放，2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻）10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器

Di=1時(shí)，開關(guān)Si接運(yùn)放的反相端;Di=0時(shí)，開關(guān)Si接地（同相端）。1.4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器11.2.3權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對(duì)開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。如果把電流源改為三極管電路可得實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路電壓恒定各BJT的發(fā)射結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路++-由倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得輸出電壓為可推得n位倒T形權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓：基準(zhǔn)電流：8位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入/輸出關(guān)系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模擬量

MSB數(shù)字量LSB11.2.6具有雙極性輸出的DAC當(dāng)輸入數(shù)字量有±極性時(shí)，希望輸出的模擬電壓也對(duì)應(yīng)為±。常用雙極性編碼-128-127-101126127-128-127-1011261270/VLSB00000000100000001111111000000001100000010111111111111111D0D1D2D3D4D5D6D7模擬量偏移二進(jìn)制碼2的補(bǔ)碼十進(jìn)制數(shù)*表中VLSB=VREF/25600000001100000011111111100000000100000000111111011111110D0D1D2D3D4D5D6D7補(bǔ)碼輸入對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V例：輸入為3位二進(jìn)制補(bǔ)碼。最高位為符號(hào)位，正數(shù)為0，負(fù)數(shù)為1原碼輸入對(duì)應(yīng)的輸出偏移后的輸出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V補(bǔ)碼輸入對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制要求的輸出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*將符號(hào)位反相后接至高位輸入1*將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為0偏移二進(jìn)制碼二進(jìn)制補(bǔ)碼一、電路原理*將符號(hào)位反相后接至高位輸入

*將輸出偏移使輸入為100時(shí)，輸出為0二、電路實(shí)現(xiàn)集成D/A轉(zhuǎn)換器及其應(yīng)用常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，這里僅對(duì)AD7520、DAC0808作簡(jiǎn)要介紹。

1.D/A轉(zhuǎn)換器AD7520

AD7520是10位的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片，與微處理器完全兼容。該芯片以接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易、通用性好、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。該芯片只含倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)、電流開關(guān)和反饋電阻，不含運(yùn)算放大器，輸出端為電流輸出。具體使用時(shí)需要外接集成運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源。

圖AD7520內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖AD7520外引腳圖

D0～D9：數(shù)據(jù)輸入端IOUT1：電流輸出端1IOUT2：電流輸出端2Rf：10KΩ反饋電阻引出端Vcc：電源輸入端UREF：基準(zhǔn)電壓輸入端GND：地。

分辨率：10位

線性誤差：±(1/2)LSB（LSB表示輸入數(shù)字量最低位），若用輸出電壓滿刻度范圍FSR的百分?jǐn)?shù)表示則為0.05%FSR。

轉(zhuǎn)換速度：500ns

溫度系數(shù)：0.001%/℃AD7520的主要性能參數(shù)如下：脈沖波產(chǎn)生電路74163具同步清零功能74163和與非門構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器：0000~10012.應(yīng)用舉例鋸齒波發(fā)生器模擬開關(guān)倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)偏置電路Io24GND1613VCCCOMPVR-VR+A+-基準(zhǔn)電流源T14153VEE56789101112d1d2d3d4d5d6(MSB)d7(LSB)d0在VREF=10V、RR=5k、RF=5k的情況下當(dāng)輸入的數(shù)字量在全0和全1之間變化時(shí)，輸出模擬電壓的變化范圍為0~9.96V。3單片集成DAC0808的電路結(jié)構(gòu)框圖3、D/A轉(zhuǎn)換器DAC0808應(yīng)用當(dāng)VREF=10V、RR=5kΩ、Rf=5kΩ時(shí)輸出電壓為：DAC0808是8位權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器，其中D0～D7是數(shù)字量輸入端。用這類器件構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器時(shí)，需要外接運(yùn)算放大器和產(chǎn)生基準(zhǔn)電流用的電阻RR。八位集成DAC0832圖集成DAC0832框圖與引腳圖它由一個(gè)八位輸入寄存器、一個(gè)八位DAC寄存器和一個(gè)八位D/A轉(zhuǎn)換器三大部分組成，D/A轉(zhuǎn)換器采用了倒T型R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)。由于DAC0832有兩個(gè)可以分別控制的數(shù)據(jù)寄存器，所以，在使用時(shí)有較大的靈活性，可根據(jù)需要接成不同的工作方式。DAC0832中無(wú)運(yùn)算放大器，且是電流輸出，使用時(shí)須外接運(yùn)算放大器。芯片中已設(shè)置了Rfb，只要將9腳接到運(yùn)算放大器的輸出端即可。若運(yùn)算放大器增益不夠，還須外加反饋電阻。器件上各引腳的名稱和功能如下：ILE：輸入鎖存允許信號(hào)，輸入高電平有效。片選信號(hào)，輸入低電平有效。輸入數(shù)據(jù)選通信號(hào)，輸入低電平有效。數(shù)據(jù)傳送選通信號(hào)，輸入低電平有效。數(shù)據(jù)傳送選通信號(hào)，輸入低電平有效。D7~D0：八位輸入數(shù)據(jù)信號(hào)。UREF：參考電壓輸入。一般此端外接一個(gè)精確、穩(wěn)定的電壓基準(zhǔn)源。UREF可在-10V至+10V范圍內(nèi)選擇。Rfb：反饋電阻（內(nèi)已含一個(gè)反饋電阻）接線端。IOUT1：DAC輸出電流1。此輸出信號(hào)一般作為運(yùn)算放大器的一個(gè)差分輸入信號(hào)。當(dāng)DAC寄存器中的各位為1時(shí)，電流最大；為全0時(shí)，電流為0。

IOUT2：DAC輸出電流2。它作為運(yùn)算放大器的另一個(gè)差分輸入信號(hào)（一般接地）。IOUT1和IOUT2滿足如下關(guān)系：IOUT1+IOUT2=常數(shù)UCC：電源輸入端（一般取+5V）。DGND：數(shù)字地。AGND：模擬地。從DAC0832的內(nèi)部控制邏輯分析可知，當(dāng)ILE、和同時(shí)有效時(shí)，LE1為高電平。在此期間，輸入數(shù)據(jù)D7~D0進(jìn)入輸入寄存器。當(dāng)和同時(shí)有效時(shí)，LE2為高電平。在此期間，輸入寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)入DAC寄存器。八位D/A轉(zhuǎn)換電路隨時(shí)將DAC寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)（IOUT1+IOUT2）輸出。DAC0832的使用有雙緩沖器型、單緩沖器型和直通型等三種工作方式。圖DAC0832的三種工作方式11.2.7DAC的轉(zhuǎn)換精度與速度一、轉(zhuǎn)換精度1、轉(zhuǎn)換誤差（實(shí)際精度）

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是指輸出模擬電壓的實(shí)際值與理想值之差，即最大靜態(tài)轉(zhuǎn)換誤差。（1）用最低有效位的倍數(shù)來(lái)表示（誤差小于LSB/2）（2）有時(shí)也用絕對(duì)誤差與輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示例如，某D/A轉(zhuǎn)換器滿量程輸出電壓為10V，如果誤差為1%，就意味著輸出電壓的最大誤差為±0.1V。百分?jǐn)?shù)越小，精度越高。轉(zhuǎn)換精度是一個(gè)綜合指標(biāo)，包括零點(diǎn)誤差、增益誤差等，它不僅與D/A轉(zhuǎn)換器中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且還與環(huán)境溫度、集成運(yùn)放的溫度漂移以及D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。2、分辨率（理論精度）（1）分辨率用輸入二進(jìn)制數(shù)的有效位數(shù)表示。在分辨率為n位的D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓能區(qū)分2n個(gè)不同的輸入二進(jìn)制代碼狀態(tài)，能給出2n個(gè)不同等級(jí)的輸出模擬電壓。n位DAC,應(yīng)能輸出0~2n-1個(gè)不同的等級(jí)電壓，區(qū)分出輸入的00···0到11···1，2n-1個(gè)不同狀態(tài)（2）分辨率也可以用D/A轉(zhuǎn)換器的最小輸出電壓與最大輸出電壓的比值來(lái)表示。10位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率為：3、輸出建立時(shí)間從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流到達(dá)穩(wěn)定值時(shí)所需要的時(shí)間，稱為輸出建立時(shí)間。即穩(wěn)態(tài)值tsettvO0從輸入數(shù)字信號(hào)起，到輸出電壓或電流與穩(wěn)定值相差+LSB/2范圍內(nèi)的時(shí)間轉(zhuǎn)換特性D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性，是指其輸出模擬量和輸入數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。圖示是輸入為3位二進(jìn)制數(shù)時(shí)的D/A轉(zhuǎn)換器