第十一章数-模1

第十一章

数-模（D/A）和模-数（A/D）转换AnalogDigitalConverterandDigitalAnalogConverterA/D

转换器

D/A

转换器

模拟

控制器

工业生产过程控制对象

模

拟

传感器

ADC和DAC已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。将温度、压力、流量、应力等物理量转换为模拟电量。计算机进行数字处理（如计算、滤波）、保存等用模拟量作为控制信号数字控制

计算机11.1概述一、用途温度时间放大器A/D转换微型计算机D/A转换控制对象电加热炉传感器热电偶1)一路温度控制信号电路结构如温度时间执行机构模数转换器：能将模拟量转换为数字量的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC数模转换器：能将数字量转换为模拟量的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC。2)多路温度控制信号电路结构二、分类间接型反馈比较型-变换型FVDA/直接型并联比较型-变换型TV按解码网络结构分类T型电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC权电流DAC

权电阻网络DAC按模拟电子开关电路分类CMOS开关型DAC双极型开关型DAC电流开关型DACECL电流开关型DACD/A转

换

器

①每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量1、实现D/A转换的基本思想ND＝b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20

＝1×23＋0×22＋0×21＋1×20如将二进制数ND＝(1001)B转换为十进制数。11.2D/A转换器将二进制数转换为十进制数。（按权展开式）由上式可知D/A转换的基本思想

②将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的模拟量③设计完成上述功能的电路就可实现数字量--模拟量的转换。O=–KuNB

或iO=–KiNB

2、D/A转换器的组成:DAC的数字数据可以并行输入也可串行输入

用存放在数字寄存器中的数字量的各位数码

由输入数字量控制

产生权电流

将权电流相加产生与输入成正比的模拟电压D=111101…D/AA(电压或电流)？LSB：LeastSignificantBitMSB：MostSignificantBit11.2.1权电阻网络D/A转换器一、电路结构和工作原理优缺点：1.优点：简单2.缺点：电阻值相差大，难于保证精度，且大电阻不宜于集成在IC内部Di=0,Si则将电阻2R接地(同相端)Di=1,Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路

电阻网络模拟电子开关求和运算放大器输出模拟电压输入4位二进制数根据运放线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻将接“地”或虚地。1、4位倒T形电阻网络D/A转换器基准电压组成：电阻网络模拟电子开关求和运算放大器11.2.2倒T形电阻网络DAC目的是：希望用较少类型的电阻，仍然能得到一系列权电流D/A转换器的倒T形电阻网络基准电源VREF提供的总电流为：I=？流过各开关支路的电流：I3=？I2=？I1=？I0=？I/4I/8I/16RRRRI/2I/4I/8I/16I/2I3I2I1I0流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R流入运放的总电流：i＝I0+I1+I2+I3输出模拟电压：

I3=VREF/2RI2=VREF/4RI1=VREF/8RI0=VREF/16R4位倒T形电阻网络DAC的输出模拟电压：n位倒T形电阻网络DAC有：令：则O=–KNB

在电路中输入的每一个二进制数NB，均能得到与之成正比的模拟电压输出。可完成前面基本思想②使用:1)要外接运放，2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻）10位CMOS电流开关型D/A转换器

Di=1时，开关Si接运放的反相端;Di=0时，开关Si接地（同相端）。1.4位权电流D/A转换器11.2.3权电流型D/A转换器为进一步提高D/A转换器的转换精度，可采用权电流型D/A转换器。在恒流源电路中，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这样降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。如果把电流源改为三极管电路可得实际的权电流D/A转换器电路实际的权电流D/A转换器电路电压恒定各BJT的发射结电压相等基准电流产生电路++-由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压：基准电流：8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系0000000010000000……111111100000000110000001……11111111模拟量

MSB数字量LSB11.2.6具有双极性输出的DAC当输入数字量有±极性时，希望输出的模拟电压也对应为±。常用双极性编码-128-127-101126127-128-127-1011261270/VLSB00000000100000001111111000000001100000010111111111111111D0D1D2D3D4D5D6D7模拟量偏移二进制码2的补码十进制数*表中VLSB=VREF/25600000001100000011111111100000000100000000111111011111110D0D1D2D3D4D5D6D7补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V例：输入为3位二进制补码。最高位为符号位，正数为0，负数为1原码输入对应的输出偏移后的输出D2D1D0111+7V+3V110+6V+2V101+5V+1V100+4V0V011+3V-1V010+2V-2V001+1V-3V0000V-4V补码输入对应的十进制要求的输出D2D1D0011+3+3V010+2+2V001+1+1V00000V111-1-1V110-2-2V101-3-3V100-4-4V*将符号位反相后接至高位输入1*将输出偏移使输入为100时，输出为0偏移二进制码二进制补码一、电路原理*将符号位反相后接至高位输入

*将输出偏移使输入为100时，输出为0二、电路实现集成D/A转换器及其应用常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对AD7520、DAC0808作简要介绍。

1.D/A转换器AD7520

AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。

图AD7520内部逻辑结构图AD7520外引脚图

D0～D9：数据输入端IOUT1：电流输出端1IOUT2：电流输出端2Rf：10KΩ反馈电阻引出端Vcc：电源输入端UREF：基准电压输入端GND：地。

分辨率：10位

线性误差：±(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则为0.05%FSR。

转换速度：500ns

温度系数：0.001%/℃AD7520的主要性能参数如下：脉冲波产生电路74163具同步清零功能74163和与非门构成十进制计数器：0000~10012.应用举例锯齿波发生器模拟开关倒T形电阻网络偏置电路Io24GND1613VCCCOMPVR-VR+A+-基准电流源T14153VEE56789101112d1d2d3d4d5d6(MSB)d7(LSB)d0在VREF=10V、RR=5k、RF=5k的情况下当输入的数字量在全0和全1之间变化时，输出模拟电压的变化范围为0~9.96V。3单片集成DAC0808的电路结构框图3、D/A转换器DAC0808应用当VREF=10V、RR=5kΩ、Rf=5kΩ时输出电压为：DAC0808是8位权电流型D/A转换器，其中D0～D7是数字量输入端。用这类器件构成的D/A转换器时，需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻RR。八位集成DAC0832图集成DAC0832框图与引脚图它由一个八位输入寄存器、一个八位DAC寄存器和一个八位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T型R-2R电阻网络。由于DAC0832有两个可以分别控制的数据寄存器，所以，在使用时有较大的灵活性，可根据需要接成不同的工作方式。DAC0832中无运算放大器，且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设置了Rfb，只要将9脚接到运算放大器的输出端即可。若运算放大器增益不够，还须外加反馈电阻。器件上各引脚的名称和功能如下：ILE：输入锁存允许信号，输入高电平有效。片选信号，输入低电平有效。输入数据选通信号，输入低电平有效。数据传送选通信号，输入低电平有效。数据传送选通信号，输入低电平有效。D7~D0：八位输入数据信号。UREF：参考电压输入。一般此端外接一个精确、稳定的电压基准源。UREF可在-10V至+10V范围内选择。Rfb：反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。IOUT1：DAC输出电流1。此输出信号一般作为运算放大器的一个差分输入信号。当DAC寄存器中的各位为1时，电流最大；为全0时，电流为0。

IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差分输入信号（一般接地）。IOUT1和IOUT2满足如下关系：IOUT1+IOUT2=常数UCC：电源输入端（一般取+5V）。DGND：数字地。AGND：模拟地。从DAC0832的内部控制逻辑分析可知，当ILE、和同时有效时，LE1为高电平。在此期间，输入数据D7~D0进入输入寄存器。当和同时有效时，LE2为高电平。在此期间，输入寄存器的数据进入DAC寄存器。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。DAC0832的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通型等三种工作方式。图DAC0832的三种工作方式11.2.7DAC的转换精度与速度一、转换精度1、转换误差（实际精度）

D/A转换器的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。（1）用最低有效位的倍数来表示（误差小于LSB/2）（2）有时也用绝对误差与输出电压满刻度的百分数来表示例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误差为±0.1V。百分数越小，精度越高。转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A转换器的位数有关。2、分辨率（理论精度）（1）分辨率用输入二进制数的有效位数表示。在分辨率为n位的D/A转换器中，输出电压能区分2n个不同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级的输出模拟电压。n位DAC,应能输出0~2n-1个不同的等级电压，区分出输入的00···0到11···1，2n-1个不同状态（2）分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最大输出电压的比值来表示。10位D/A转换器的分辨率为：3、输出建立时间从输入数字信号起，到输出电压或电流到达稳定值时所需要的时间，称为输出建立时间。即稳态值tsettvO0从输入数字信号起，到输出电压或电流与稳定值相差+LSB/2范围内的时间转换特性D/A转换器的转换特性，是指其输出模拟量和输入数字量之间的转换关系。图示是输入为3位二进制数时的D/A转换器