模数转换器基本原理及常见结构课件

本次课内容1、数模和模数转换器基本概念；2、DAC的转换原理；3、DAC基本术语、主要性能参数；4、数模转换器的基本应用。第8章数模和模数转换器本次课内容第8章数模和模数转换器§8.1概述

模拟信号(AnalogSignal)：时间和幅度均连续变化的信号。

数字信号(DigitalSignal)：时间和幅度离散且按一定方式编码后的脉冲信号。

模数转换器：完成模拟到数字信号转换的器件。简写为ADC或A/D。

数模转换器：完成数字到模拟信号转换的器件。简写为DAC或D/A。§8.1概述模拟信号(AnalogSignal)：时模拟、数字控制系统对比传感器信号调理A/DD/A执行设备微处理器功率放大数字控制系统工业现场传感器信号调理信号处理功率放大执行设备模拟控制系统工业现场模拟、数字控制系统对比传感器信号调理A/DD/A执行设备微处模拟控制系统数字控制系统适应性信号处理复杂适应性强可控性不易改变控制参数易改变控制参数和模型控制精度低高后处理数据记录、处理很不方便数据记录、处理方便模拟控制系统数字控制系统适应性信号处理复杂适应性强可控性不随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字电路与模拟电路联系的桥梁，其应用非常广泛。下图为数字控制系统的典型框图。随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字电路与模拟电路联§8.2数模转换器DAC十进制数P(转换系数)决定系数电路数位开关“1”或“0”数字位权重电路相加电路§8.2数模转换器DAC十进制数P(转换系数)决定系数§8.2.1几种DAC的工作原理一、Kelvin分压器称为电阻串联型DAC，由2n个等值电阻器组成。ADI：AD5326（4通道，12位电阻串型DAC）；TI：DAC8534（4通道，16位电阻串型DAC）。§8.2.1几种DAC的工作原理一、Kelvin分压器二、二进制加权型DAC权阻电路数位开关反相加法器基准电压二、二进制加权型DAC权阻电路数位反相基准4位的权电流网络DAC电路权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度。4位的权电流网络DAC电路权电阻网络优点：结构简单；缺点三、倒梯形R-2R网络DAC权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度。数位开关Di=1接-Di=0接+三、倒梯形R-2R网络DAC权电阻网络优点：结构简单；缺其余全为0时当Di=“1”当Dn-2=“1”当Dn-1=“1”对任意数字量，由叠加原理，得流入-端的总电流：优点：开关切换时无电位变化，可提高切换速率。其余全为0时当Di=“1”当Dn-2=“1”当Dn-1=“1

①满量程(FS)：单极性DAC输入全“1”时输出的模拟值。②满量程范围(FSR)：DAC输出模拟量最小值到最大值的范围。单极性FSR=FS。③最高有效位(MSB)、最低有效位(LSB)具有最高（最低）权重数位或其为“1”而其余位全“0”时，对应输出的模拟值。Dn-1Dn-2…...D1D0MSBLSB§8.2.2DAC的主要参数①满量程(FS)：单极性DAC输入全“1”时输出的模拟值1、静态参数（误差参数）

DAC稳态工作时，输出实际值（V，I）偏离理想值大小程度。误差表示方法：DAC的主要参数①1LSB单位表示（如±1LSB、±LSB/2）②以%FSR表示（即FSR的百分之一）。③以ppm表示即FSR的百万分之一为单位表示。④以输出的实际误差表示（mV、μV等）1、静态参数（误差参数）DAC的主要参数①1LSB单位表例题：某DAC数字位n=12，FSR=10V。试用四种误差表示其最低位产生的误差。则最低位产生的误差如下：±1LSB；±0.0244%FSR；±244ppm；±2.44mV。12个数字位能表示的十进制数：最低位表示的模拟值为：例题：某DAC数字位n=12，FSR=10V。试用四种误差2、转换误差零点（失调）误差输入数字量D为0，输出模拟量A不为零。2、转换误差零点（失调）误差b）零点(失调)温度系数

漂移4321DinOUTO图8.1.9DAC的零点和增益温度漂移单位温度变化时，DAC输出零点产生的漂移量。b）零点(失调)温度系数漂移4321DinOUTO图8.1c）增益误差

实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲线斜率之比:A实际/A理想。c）增益误差实际输出特性曲线斜率与理想d）增益温度系数漂移4321DinOUTO图8.1.9DAC的零点和增益温度漂移指单位温度变化时，DAC输出特性曲线斜率的漂移量。用满量程的10-6/℃表示。d）增益温度系数漂移4321DinOUTO图8.1.9e）积分非线性实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。e）积分非线性实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。f）微分线性误差任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与1LSB之差，称为该点的微分线性误差(DLE)。积分非线性反映的是实际输出特性的整体线性度，即与理想输出特性的偏离程度;微分线性误差反映了线性误差在整个输出特性中的分布。f）微分线性误差任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与

ODinAOUT2LSB4LSBabc图8.1.11DAC的微分线性误差下图中，a、b两点的微分线性误差为:ODinAOUT2LSB4LSBabc图8.1.11g)微分线性误差温度系数单位温度变化所引起的DAC微分线性误差的变化量称为微分线性误差温度系数。该参数可用于估算在工作温度范围内，DAC能否保持单调性。h)单调性DAC的单调性是指当输入数据单调增加时，输出电压或电流增加或不变。g)微分线性误差温度系数单位温度变化所引起的DAC微若输入数据单调增加1LSB时，输出电压或电流反而减小，则该DAC的特性具有非单调性。DAC的非单调性是由于各位误差的累积超过了1LSB造成的。之间或如果各点的线性误差均介于微分线性误差介于之间，则DAC的输出具有单调性。

若输入数据单调增加1LSB时，输出电压或电流反而减小，则例:

b、c两点的微分线性误差为：

不具有单调性。ODinAOUT2LSB4LSBbc图8.1.11DAC的微分线性误差a例:b、c两点的微分线性误差为：不具有单调性。OD3、DAC的其它主要参数⑴分辨率

DAC的FSR被2n分割所对应的模拟值。注意：在自动控制系统中使用的DAC必须具有单调性，否则可能使系统在DAC的非单调区间内来回摆动，形成振荡，不能稳定工作。3、DAC的其它主要参数注意：在自动控制系统中使用的DA解：分辨率为8位，也可表示为

[例8.1.2]一个满量程电压为10V的8位DAC，其分辨率是多少？

⑵稳定时间ts

输入数据变化时，输出模拟量变化到新值规定误差（±LSB/2）范围的时间。±LSB/2解：分辨率为8位，也可表示为[例8.1.2]一个满量程电（3）动态误差（突跳）

DAC输出端两个稳态值过渡期间出现的较大幅度窄脉冲，称为突跳（错误输出）。DinVout突跳原因：内部模拟开关切换时间不同步。消除突跳：在DAC输出与负载间插入S/H（将降低系统速度）。DACS/HoutRL（3）动态误差（突跳）DinVout突跳原因：内部模拟开四、典型DAC芯片介绍8位并行CMOSDAC。功耗低（约20mW）、非线性误差小（＜1/8LSB）；数据锁存器。当CS=WR=0时，输入数据写入锁存器；电源VDD=+5V～+15V。模拟输出Vo=0～10V。四、典型DAC芯片介绍8位并行CMOSDAC。功耗低（约§8.4.1

DAC的应用知识一、DAC芯片的选择

原则：综合考虑性能、成本、供货周期三个因素。1、给定分辨率确定DAC位数设DAC的满量程范围为FSR，位数为n，则其分辨率为FSR/2n。标称位数8、10、12、16等§8.4.1DAC的应用知识一、DAC芯片的选择原则

例：某DAC的FSR=10V，要求分辨率不低于10mV，试确定其位数。（理论分辨率≤实际分辨率）解：可选≥10位2、DAC接口特性的选择

输入接口：数字量与逻辑电平匹配情况、编码制式、输入方式（串/并）等。

输出接口：输出是电压（电流）；单（双）极性；参考电压VR取自内（外）部等。例：某DAC的FSR=10V，要求分辨率不低于10mV，试3、DAC转换速度的选择根据具体应用系统要求确定合适的转换速度选择（满足指标要求即可）。二、DAC的调整单极性DAC双极性DAC输出电压0～FS[VR(1-2-n)]－FSR/2～FSR/2调整方法先调零点再调增益输入全0时，调整Vo=0。输入全0时，调整Vo=－FSR/2

；输入全1时，调整Vo=FS。输入全1时，调整Vo=FSR/2

。3、DAC转换速度的选择二、DAC的调整单极性DAC双极性D注意：具体芯片调整电路参考相关资料！图(a)：输入全0并调W1，使Vo=－5.0000V；再输入全1，调W2，使Vo=4.9976V。图(b)：电路调整方法基本相同。注意：具体芯片调整电路参考相关资料！图(a)：输入全0并调三、DAC的功能扩展1、单极性DAC扩展为双极性电压输出输入全0Vo=0输入全1Vo=－VR(1-2-n)Dn-1=1，其余全0Vo=－VR/2单极性工作若使中间电压为零，即得双极性输出电压。三、DAC的功能扩展1、单极性DAC扩展为双极性电压输出输入双极性输出I’I’=VR/2R抵消中间值电流单极性tVo0-VR/2双极性Vot0VR/2Dn-1=1转换前后对比双极性输出I’I’=VR/2R单极性tVo0-VR/2双极

AD7524在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下。AD7524在输入偏移二进制码时的双极性工作原理图如下2、DAC与微处理器的接口方法当DAC位数大于CPU数据总线宽度的接口方法。例如：8位CPU与12位DAC接口。两次送数一次转换2、DAC与微处理器的接口方法两次送数8位CPU与12位有内缓冲DAC接口

第一次送低8位；第二次送高4位同时完成12位数据转换。

优点：经济；不足：转换速率降低。8位CPU与12位有内缓冲DAC接口第一次送低8位；第二§8.4.2

几种DAC的应用电路一、程控增益放大器即用输入改变电阻网络阻值(Rf)。§8.4.2几种DAC的应用电路一、程控增益放大器即用二、程控信号源

原理：按时间顺序将所存储波形的幅度值数据送入DAC中，即可得模拟波形输出。MCU中单周波形数据→写入FIFO→启动读信号RD→从FIFO读出数据→入DAC→模拟波形输出（用FIFO重传可输出连续信号）。二、程控信号源原理：按时间顺序将所存储波形的幅度值数据送小结1、模数联系的桥梁：ADC、DAC；2、DAC原理（电阻网络+模拟开关）；3、理解DAC主要性能参数（误差）；4、DAC的基本应用选择、调整、扩展方法；了解典型应用。

作业：8.2、8.3

思考题：8.1、8.4、8.5、8.14小结1、模数联系的桥梁：ADC、DAC；作业：8.2、8.本次课内容1、数模和模数转换器基本概念；2、DAC的转换原理；3、DAC基本术语、主要性能参数；4、数模转换器的基本应用。第8章数模和模数转换器本次课内容第8章数模和模数转换器§8.1概述

模拟信号(AnalogSignal)：时间和幅度均连续变化的信号。

数字信号(DigitalSignal)：时间和幅度离散且按一定方式编码后的脉冲信号。

模数转换器：完成模拟到数字信号转换的器件。简写为ADC或A/D。

数模转换器：完成数字到模拟信号转换的器件。简写为DAC或D/A。§8.1概述模拟信号(AnalogSignal)：时模拟、数字控制系统对比传感器信号调理A/DD/A执行设备微处理器功率放大数字控制系统工业现场传感器信号调理信号处理功率放大执行设备模拟控制系统工业现场模拟、数字控制系统对比传感器信号调理A/DD/A执行设备微处模拟控制系统数字控制系统适应性信号处理复杂适应性强可控性不易改变控制参数易改变控制参数和模型控制精度低高后处理数据记录、处理很不方便数据记录、处理方便模拟控制系统数字控制系统适应性信号处理复杂适应性强可控性不随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字电路与模拟电路联系的桥梁，其应用非常广泛。下图为数字控制系统的典型框图。随着电子技术发展，ADC、DAC作为数字电路与模拟电路联§8.2数模转换器DAC十进制数P(转换系数)决定系数电路数位开关“1”或“0”数字位权重电路相加电路§8.2数模转换器DAC十进制数P(转换系数)决定系数§8.2.1几种DAC的工作原理一、Kelvin分压器称为电阻串联型DAC，由2n个等值电阻器组成。ADI：AD5326（4通道，12位电阻串型DAC）；TI：DAC8534（4通道，16位电阻串型DAC）。§8.2.1几种DAC的工作原理一、Kelvin分压器二、二进制加权型DAC权阻电路数位开关反相加法器基准电压二、二进制加权型DAC权阻电路数位反相基准4位的权电流网络DAC电路权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度。4位的权电流网络DAC电路权电阻网络优点：结构简单；缺点三、倒梯形R-2R网络DAC权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻值相差较大，集成时难保证电阻精度。数位开关Di=1接-Di=0接+三、倒梯形R-2R网络DAC权电阻网络优点：结构简单；缺其余全为0时当Di=“1”当Dn-2=“1”当Dn-1=“1”对任意数字量，由叠加原理，得流入-端的总电流：优点：开关切换时无电位变化，可提高切换速率。其余全为0时当Di=“1”当Dn-2=“1”当Dn-1=“1

①满量程(FS)：单极性DAC输入全“1”时输出的模拟值。②满量程范围(FSR)：DAC输出模拟量最小值到最大值的范围。单极性FSR=FS。③最高有效位(MSB)、最低有效位(LSB)具有最高（最低）权重数位或其为“1”而其余位全“0”时，对应输出的模拟值。Dn-1Dn-2…...D1D0MSBLSB§8.2.2DAC的主要参数①满量程(FS)：单极性DAC输入全“1”时输出的模拟值1、静态参数（误差参数）

DAC稳态工作时，输出实际值（V，I）偏离理想值大小程度。误差表示方法：DAC的主要参数①1LSB单位表示（如±1LSB、±LSB/2）②以%FSR表示（即FSR的百分之一）。③以ppm表示即FSR的百万分之一为单位表示。④以输出的实际误差表示（mV、μV等）1、静态参数（误差参数）DAC的主要参数①1LSB单位表例题：某DAC数字位n=12，FSR=10V。试用四种误差表示其最低位产生的误差。则最低位产生的误差如下：±1LSB；±0.0244%FSR；±244ppm；±2.44mV。12个数字位能表示的十进制数：最低位表示的模拟值为：例题：某DAC数字位n=12，FSR=10V。试用四种误差2、转换误差零点（失调）误差输入数字量D为0，输出模拟量A不为零。2、转换误差零点（失调）误差b）零点(失调)温度系数

漂移4321DinOUTO图8.1.9DAC的零点和增益温度漂移单位温度变化时，DAC输出零点产生的漂移量。b）零点(失调)温度系数漂移4321DinOUTO图8.1c）增益误差

实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲线斜率之比:A实际/A理想。c）增益误差实际输出特性曲线斜率与理想d）增益温度系数漂移4321DinOUTO图8.1.9DAC的零点和增益温度漂移指单位温度变化时，DAC输出特性曲线斜率的漂移量。用满量程的10-6/℃表示。d）增益温度系数漂移4321DinOUTO图8.1.9e）积分非线性实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。e）积分非线性实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。f）微分线性误差任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与1LSB之差，称为该点的微分线性误差(DLE)。积分非线性反映的是实际输出特性的整体线性度，即与理想输出特性的偏离程度;微分线性误差反映了线性误差在整个输出特性中的分布。f）微分线性误差任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与

ODinAOUT2LSB4LSBabc图8.1.11DAC的微分线性误差下图中，a、b两点的微分线性误差为:ODinAOUT2LSB4LSBabc图8.1.11g)微分线性误差温度系数单位温度变化所引起的DAC微分线性误差的变化量称为微分线性误差温度系数。该参数可用于估算在工作温度范围内，DAC能否保持单调性。h)单调性DAC的单调性是指当输入数据单调增加时，输出电压或电流增加或不变。g)微分线性误差温度系数单位温度变化所引起的DAC微若输入数据单调增加1LSB时，输出电压或电流反而减小，则该DAC的特性具有非单调性。DAC的非单调性是由于各位误差的累积超过了1LSB造成的。之间或如果各点的线性误差均介于微分线性误差介于之间，则DAC的输出具有单调性。

若输入数据单调增加1LSB时，输出电压或电流反而减小，则例:

b、c两点的微分线性误差为：

不具有单调性。ODinAOUT2LSB4LSBbc图8.1.11DAC的微分线性误差a例:b、c两点的微分线性误差为：不具有单调性。OD3、DAC的其它主要参数⑴分辨率

DAC的FSR被2n分割所对应的模拟值。注意：在自动控制系统中使用的DAC必须具有单调性，否则可能使系统在DAC的非单调区间内来回摆动，形成振荡，不能稳定工作。3、DAC的其它主要参数注意：在自动控制系统中使用的DA解：分辨率为8位，也可表示为

[例8.1.2]一个满量程电压为10V的8位DAC，其分辨率是多少？

⑵稳定时间ts

输入数据变化时，输出模拟量变化到新值规定误差（±LSB/2）范围的时间。±LSB/2解：分辨率为8位，也可表示为[例8.1.2]一个满量程电（3）动态误差（突跳）

DAC输出端两个稳态值过渡期间出现的较大幅度窄脉冲，称为突跳（错误输出）。DinVout突跳原因：内部模拟开关切换时间不同步。消除突跳：在DAC输出与负载间插入S/H（将降低系统速度）。DACS/HoutRL（3）动态误差（突跳）DinVout突跳原因：内部模拟开四、典型DAC芯片介绍8位并行CMOSDAC。功耗低（约20mW）、非线性误差小（＜1/8LSB）；数据锁存器。当CS=WR=0时，输入数据写入锁存器；电源VDD=+5V～+15V。模拟输出Vo=0～10V。四、典型DAC芯片介绍8位并行CMOSDAC。功耗低（约§8.4.1

DAC的应用知识一、DAC芯片的选择

原则：综合考虑性能、成本、供货周期三个因素。1、给定分辨率确定DAC位数设DAC的满量程范围为FSR，位数为n，则其分辨率为FSR/2n。标称位数8、10、12、16等§8.4.1DAC的应用知识一、DAC芯片的选择原则

例：某DAC的FSR=10V，要求分辨率不低于10mV，试确定其位数。（理论分辨率≤实际分辨率）解：可选≥10位2、DAC接口特性的选择

输入接口：数字量与逻辑电平匹配情况、编码制式、输入方式（串/并）等。

输出接口：输出是电压（电流）；单（双）极性；参考电压VR取自内（外）部等。例：某DAC的FSR=10V，要求分辨率不低于10mV，试3、DAC转换速度的选择根据具体应用系统要求确定合适的转换速度选择（满足指标要求即可）。二、DAC的调整单极性DAC双极性DAC输出电压0～FS[VR(1-2-n)]－FSR/2～FSR/2调整方法先调零点再调增益输入全0时，调整Vo=0。输入全0时，调整Vo=－FSR/2

；输入全1时，调整Vo=FS。输入全1时，调整Vo=FSR/2

。3、DAC转换速度的选择二、DAC的调整单极性DAC双极性D注意：具体芯片调整电路参考相关资料！图(a)：输入