數(shù)字化測(cè)量?jī)x第二章

數(shù)字化測(cè)量?jī)x第二章第1頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理D／A轉(zhuǎn)換器的基本表達(dá)式A=UR?DA：輸出模擬信號(hào)D：輸入數(shù)字量UR:基準(zhǔn)電壓其中：所以：（2-1）則D/A輸出為：Uo=UR?X（2-2）

（2-3）第2頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理

將式（2-3）改寫(xiě)為：

（2-4）也可寫(xiě)為：（2-5）第3頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理D／A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理如圖所示為并行輸入四位的D/A轉(zhuǎn)換器的示意圖。由電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬切換開(kāi)關(guān)、輸入緩沖寄存器、基準(zhǔn)電源和運(yùn)算放大器組成。第4頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理由圖可知：其在輸出端產(chǎn)生的電壓輸出為：若Rf=R則第5頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理D／A轉(zhuǎn)換器的組成

電阻網(wǎng)絡(luò)

D／A轉(zhuǎn)換器中都用到由精密電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，電阻值按一定的規(guī)律配置；輸入數(shù)碼的各支路電流與網(wǎng)絡(luò)電阻阻值有關(guān)。因此，電阻值的精確度直接影響D／A轉(zhuǎn)換器的精確度；轉(zhuǎn)換精確度只決定于電阻的比值而與電阻的絕對(duì)值關(guān)系不大。

第6頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理模擬切換開(kāi)關(guān)精度：模擬切換開(kāi)關(guān)應(yīng)在斷開(kāi)時(shí)電阻無(wú)限大，導(dǎo)通時(shí)電阻無(wú)限小，即要求很高的斷／通比值，而且力求減小開(kāi)關(guān)的飽和壓降、泄漏電流及導(dǎo)通電阻對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的影響。速度：工作在深飽和狀態(tài)下的雙極型模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通壓降很小，但開(kāi)關(guān)的速度低。為了提高開(kāi)關(guān)速度，應(yīng)使開(kāi)關(guān)工作在非飽和狀態(tài)，然而這將使導(dǎo)通壓降增大，但在權(quán)電流式D／A轉(zhuǎn)換器中，由于采用恒流源，將有效地減小開(kāi)關(guān)壓降的影響，而為非飽和型模擬開(kāi)關(guān)的實(shí)際運(yùn)用提供了可能性。

第7頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理基準(zhǔn)源

在D／A轉(zhuǎn)換器中基準(zhǔn)電源的穩(wěn)定度和精確度直接影響轉(zhuǎn)換的精確度。如要求D／A轉(zhuǎn)換器精確到滿刻度的±0．05％，則基準(zhǔn)源的精確度至少要滿足±0．01％的要求。運(yùn)算放大器

D／A轉(zhuǎn)換器的輸出端一般都接有運(yùn)算放大器，其作用為：一方面將網(wǎng)絡(luò)中各支路電流進(jìn)行總加，實(shí)現(xiàn)電流－電壓變換，另一方面為D／A轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)阻抗低，負(fù)載能力強(qiáng)的輸出。

第8頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理輸入緩沖寄存器

在D／A轉(zhuǎn)換器的輸入端連接輸入緩沖寄存器(或鎖存器)，用以寄存某一特定的時(shí)間內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)的輸出數(shù)碼。起數(shù)據(jù)鎖存作用。

第9頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理D/A轉(zhuǎn)換器的分類輸入數(shù)值形式并行D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器串行D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)碼形式補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼符號(hào)-數(shù)值碼（原碼）第10頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理數(shù)值符號(hào)-數(shù)值碼補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼+127011111110111111111111111+126011111100111111011111110˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙+10000000100000001100000010000000000000000010000000-1100000011111111101111111˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙-127111111111000000100000001-1281000000000000000第11頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)特性靜態(tài)指標(biāo)分辨率：轉(zhuǎn)換器的最低位對(duì)應(yīng)的輸出值和滿量程輸出的比值。(10位D/A的分辨率＝1/(210-1))精度非線性誤差微分非線性誤差：表示在輸入數(shù)碼整個(gè)范圍內(nèi)，相鄰數(shù)字之間引起的模擬躍變值的差異。第12頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1基本組成和原理動(dòng)態(tài)指標(biāo)建立時(shí)間-輸入數(shù)字代碼產(chǎn)生滿度值的變化，模擬輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。環(huán)境及工作條件影響溫度系數(shù)－滿刻度條件下，溫度每升高一度，模擬電壓變化的百分比。增益溫度系數(shù)零點(diǎn)溫度系數(shù)電源抑制比－D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓變化跟電源電壓的變化之比。第13頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)中最常見(jiàn)的是R－2R網(wǎng)絡(luò)，也稱梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。這種D／A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。

第14頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的等效電阻是一個(gè)恒值,在網(wǎng)絡(luò)中，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效電路都可簡(jiǎn)化如圖所示的電路。由圖可以看出，這三個(gè)支路的電阻皆為2R，因此，節(jié)點(diǎn)i的等效電阻Req為Req=2R/3第15頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器各位基準(zhǔn)電壓源的負(fù)載均為3R。從上圖也可看出，若ai=1，支路內(nèi)的基準(zhǔn)電壓源UR為本支路提供的電流為Ii=UR/3R，此電流流進(jìn)節(jié)點(diǎn)后按兩路平分，各為Ii/2，其中一路經(jīng)過(guò)其他節(jié)點(diǎn)按2-1的等比級(jí)數(shù)衰減，流向網(wǎng)絡(luò)輸出端，在輸出端負(fù)載上產(chǎn)生模擬電壓輸出。第16頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)輸出電壓U′0是各位基準(zhǔn)電壓源在網(wǎng)絡(luò)輸出端產(chǎn)生的電壓降的線性疊加。

例如，要單獨(dú)考慮an-1UR的作用，即只有an-1=1，其它位為0，利用等效電源原理分析，可得出輸出電壓：若單獨(dú)考慮an-2UR的作用，即只有an-2=1，其它位為0，用等效電源原理分析，可得出輸出電壓：第17頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器同理，要單獨(dú)考慮an-3UR的作用可得出輸出電壓：以此類推，可求出其它各位在網(wǎng)絡(luò)輸出端產(chǎn)生的壓降，利用線性疊加，網(wǎng)絡(luò)輸出電壓為：第18頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器例：12位T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。其UR=6.144V，當(dāng)輸入數(shù)碼XP=000001001011時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓：

若輸入數(shù)碼Xp全為1，則第19頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路分析12位T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器第20頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器網(wǎng)絡(luò)電阻值的確定R=20kΩ。各位基準(zhǔn)電壓源的等效負(fù)載電阻為3R，即60kΩ?；鶞?zhǔn)電壓為－9V，流過(guò)模擬切換開(kāi)關(guān)的靜態(tài)電流為：第21頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器模擬切換開(kāi)關(guān)它的誤差主要由導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的飽和壓降Uces、導(dǎo)通電阻Ron以及截止開(kāi)關(guān)的泄漏電流引起，其中Uces和Ron是主要的。B）導(dǎo)通電阻a)飽和壓降第22頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器導(dǎo)通開(kāi)關(guān)的飽和壓降Uces如△Uces=lmV，UR=6V由△Uces引起的誤差為

若UR增大為9V，則所以，隨著UR

的增加，△Uces的影響減小，但是UR的增大將給模擬切換開(kāi)關(guān)的良好驅(qū)動(dòng)帶來(lái)困難，且要降低開(kāi)關(guān)速度。第23頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻△Ron如Ron變化為5Ω，該位等效網(wǎng)絡(luò)電阻Req=60kΩ，由△Ron引入的誤差近似為：

增加網(wǎng)絡(luò)電阻阻值，可減少△Ron的影響，但網(wǎng)絡(luò)電阻值不能隨意增加，因?yàn)樽柚堤髮⑹沽鬟M(jìn)放大器輸入回路的電流很小，放大器的偏移量或開(kāi)關(guān)的泄漏電流的影響增大。同時(shí)，寄生電抗也增加，這些因素將使轉(zhuǎn)換器誤差增大，轉(zhuǎn)換速度降低。

第24頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器運(yùn)算放大器

網(wǎng)絡(luò)輸出端接運(yùn)算放大器，若反饋電阻Rf選為3R，則總的輸出電壓Uo為:

第25頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器基準(zhǔn)源在滿足選定的模擬切換開(kāi)關(guān)正常工作條件下，基準(zhǔn)電壓UR可取任意值。UR取值越大，越可減小由開(kāi)關(guān)飽和壓降和噪聲引起的誤差。但UR大時(shí)對(duì)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)要求嚴(yán)格，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度慢。基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)造成的最大偏差發(fā)生在輸入數(shù)碼全為1態(tài)的情況下，其表達(dá)式為:

第26頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)模擬開(kāi)關(guān)要么接基準(zhǔn)電壓，要么接地，當(dāng)基準(zhǔn)電壓較大時(shí)，需要復(fù)雜的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，需要降低開(kāi)關(guān)速度。流入網(wǎng)絡(luò)的電流隨著輸入數(shù)碼的改變而變，產(chǎn)生寄生電抗導(dǎo)致電流的延遲，影響轉(zhuǎn)換速度。第27頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)第28頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖第29頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)電阻網(wǎng)絡(luò)中各支路電流是恒定的，不隨輸入數(shù)碼的改變而改變，因此，大大減小了網(wǎng)絡(luò)電阻寄生電抗對(duì)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)性能的影響。模擬切換開(kāi)關(guān)只是在兩個(gè)不同的‘‘地’’之間控制電流的流向，故可以采用模擬電流開(kāi)關(guān)，以提高開(kāi)關(guān)速度。隨著輸入數(shù)碼的改變，網(wǎng)絡(luò)等效電阻值不變，基準(zhǔn)源的負(fù)載恒定，有利于基準(zhǔn)源保持輸出電壓的穩(wěn)定。

第30頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器雙極性工作方式任何單極性并行D／A轉(zhuǎn)換器都可以改為雙極性的D／A轉(zhuǎn)換器，但需具備正、負(fù)基準(zhǔn)電源。第31頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器它是在運(yùn)算放大器的反相輸入端加一個(gè)固定偏移電流。配置的電阻Rof在數(shù)值上使偏移電流Iof等于最高位(符號(hào)位)的電流，即：但方向相反。這樣，對(duì)應(yīng)于輸入數(shù)碼的其他數(shù)值，網(wǎng)絡(luò)輸出電流將在+I/2?-I/2之間變化，運(yùn)算放大器將此電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓輸出。

第32頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4權(quán)電阻型D／A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻型D／A轉(zhuǎn)換器的工作原理

第33頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4權(quán)電阻型D／A轉(zhuǎn)換器在輸入數(shù)碼的作用下各支路流向放大器反相端的電流總和為:

對(duì)于n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的D／A轉(zhuǎn)換器則有：第34頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4權(quán)電阻型D／A轉(zhuǎn)換器如果運(yùn)算放大器的反饋電阻值為R/2，則D／A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：因此，模擬輸出電壓與輸入數(shù)碼Xp成正比

第35頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.5集成D/A轉(zhuǎn)換器10位單片CMOSD／A轉(zhuǎn)換器(AD7520)基本結(jié)構(gòu)和性能

它是制作在單塊硅片上的D／A轉(zhuǎn)換器，由十個(gè)CMOS模擬開(kāi)關(guān)和做在CMOS芯片上的薄膜R-2R及反T形電阻網(wǎng)絡(luò)組成。

第36頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.5集成D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器的電路連接

單極性的D／A轉(zhuǎn)換器

第37頁(yè)，課件共45頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.5集成D/A轉(zhuǎn)換器其輸出表達(dá)式為：?jiǎn)螛O性輸入數(shù)碼

模擬輸出

1111111111-1023VR/1024…1000000001-513VR/1024100000