数字化测量仪第二章

数字化测量仪第二章第1页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理D／A转换器的基本表达式A=UR․DA：输出模拟信号D：输入数字量UR:基准电压其中：所以：（2-1）则D/A输出为：Uo=UR․X（2-2）

（2-3）第2页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理

将式（2-3）改写为：

（2-4）也可写为：（2-5）第3页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理D／A转换器的基本工作原理如图所示为并行输入四位的D/A转换器的示意图。由电阻网络、模拟切换开关、输入缓冲寄存器、基准电源和运算放大器组成。第4页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理由图可知：其在输出端产生的电压输出为：若Rf=R则第5页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理D／A转换器的组成

电阻网络

D／A转换器中都用到由精密电阻组成的电阻网络，电阻值按一定的规律配置；输入数码的各支路电流与网络电阻阻值有关。因此，电阻值的精确度直接影响D／A转换器的精确度；转换精确度只决定于电阻的比值而与电阻的绝对值关系不大。

第6页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理模拟切换开关精度：模拟切换开关应在断开时电阻无限大，导通时电阻无限小，即要求很高的断／通比值，而且力求减小开关的饱和压降、泄漏电流及导通电阻对网络输出电压的影响。速度：工作在深饱和状态下的双极型模拟开关的导通压降很小，但开关的速度低。为了提高开关速度，应使开关工作在非饱和状态，然而这将使导通压降增大，但在权电流式D／A转换器中，由于采用恒流源，将有效地减小开关压降的影响，而为非饱和型模拟开关的实际运用提供了可能性。

第7页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理基准源

在D／A转换器中基准电源的稳定度和精确度直接影响转换的精确度。如要求D／A转换器精确到满刻度的±0．05％，则基准源的精确度至少要满足±0．01％的要求。运算放大器

D／A转换器的输出端一般都接有运算放大器，其作用为：一方面将网络中各支路电流进行总加，实现电流－电压变换，另一方面为D／A转换器提供一个阻抗低，负载能力强的输出。

第8页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理输入缓冲寄存器

在D／A转换器的输入端连接输入缓冲寄存器(或锁存器)，用以寄存某一特定的时间内数字系统的输出数码。起数据锁存作用。

第9页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理D/A转换器的分类输入数值形式并行D/A转换器T型电阻网络D/A转换器权电阻网络D/A转换器串行D/A转换器输入数码形式补码偏移二进制码符号-数值码（原码）第10页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理数值符号-数值码补码偏移二进制码+127011111110111111111111111+126011111100111111011111110˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙+10000000100000001100000010000000000000000010000000-1100000011111111101111111˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙˙-127111111111000000100000001-1281000000000000000第11页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理D/A转换器的技术特性静态指标分辨率：转换器的最低位对应的输出值和满量程输出的比值。(10位D/A的分辨率＝1/(210-1))精度非线性误差微分非线性误差：表示在输入数码整个范围内，相邻数字之间引起的模拟跃变值的差异。第12页，课件共45页，创作于2023年2月2.1基本组成和原理动态指标建立时间-输入数字代码产生满度值的变化，模拟输出达到稳态值的时间。环境及工作条件影响温度系数－满刻度条件下，温度每升高一度，模拟电压变化的百分比。增益温度系数零点温度系数电源抑制比－D/A转换器输出的电压变化跟电源电压的变化之比。第13页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器T型电阻网络中最常见的是R－2R网络，也称梯形电阻网络。这种D／A转换器的结构框图如图所示。

第14页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器T型电阻网络的特点网络各节点的等效电阻是一个恒值,在网络中，任意一个节点的等效电路都可简化如图所示的电路。由图可以看出，这三个支路的电阻皆为2R，因此，节点i的等效电阻Req为Req=2R/3第15页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器各位基准电压源的负载均为3R。从上图也可看出，若ai=1，支路内的基准电压源UR为本支路提供的电流为Ii=UR/3R，此电流流进节点后按两路平分，各为Ii/2，其中一路经过其他节点按2-1的等比级数衰减，流向网络输出端，在输出端负载上产生模拟电压输出。第16页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器网络输出电压U´0是各位基准电压源在网络输出端产生的电压降的线性叠加。

例如，要单独考虑an-1UR的作用，即只有an-1=1，其它位为0，利用等效电源原理分析，可得出输出电压：若单独考虑an-2UR的作用，即只有an-2=1，其它位为0，用等效电源原理分析，可得出输出电压：第17页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器同理，要单独考虑an-3UR的作用可得出输出电压：以此类推，可求出其它各位在网络输出端产生的压降，利用线性叠加，网络输出电压为：第18页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器例：12位T型电阻网络D/A转换器。其UR=6.144V，当输入数码XP=000001001011时，网络的输出电压：

若输入数码Xp全为1，则第19页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器电路分析12位T型电阻网络D/A转换器第20页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器网络电阻值的确定R=20kΩ。各位基准电压源的等效负载电阻为3R，即60kΩ。基准电压为－9V，流过模拟切换开关的静态电流为：第21页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器模拟切换开关它的误差主要由导通开关的饱和压降Uces、导通电阻Ron以及截止开关的泄漏电流引起，其中Uces和Ron是主要的。B）导通电阻a)饱和压降第22页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器导通开关的饱和压降Uces如△Uces=lmV，UR=6V由△Uces引起的误差为

若UR增大为9V，则所以，随着UR

的增加，△Uces的影响减小，但是UR的增大将给模拟切换开关的良好驱动带来困难，且要降低开关速度。第23页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器模拟开关导通电阻△Ron如Ron变化为5Ω，该位等效网络电阻Req=60kΩ，由△Ron引入的误差近似为：

增加网络电阻阻值，可减少△Ron的影响，但网络电阻值不能随意增加，因为阻值太大将使流进放大器输入回路的电流很小，放大器的偏移量或开关的泄漏电流的影响增大。同时，寄生电抗也增加，这些因素将使转换器误差增大，转换速度降低。

第24页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器运算放大器

网络输出端接运算放大器，若反馈电阻Rf选为3R，则总的输出电压Uo为:

第25页，课件共45页，创作于2023年2月2.2T型电阻网络D/A转换器基准源在满足选定的模拟切换开关正常工作条件下，基准电压UR可取任意值。UR取值越大，越可减小由开关饱和压降和噪声引起的误差。但UR大时对开关的驱动要求严格，驱动电路复杂，转换速度慢。基准电压不稳造成的最大偏差发生在输入数码全为1态的情况下，其表达式为:

第26页，课件共45页，创作于2023年2月2.3反T型电阻网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器的缺点模拟开关要么接基准电压，要么接地，当基准电压较大时，需要复杂的开关驱动器，需要降低开关速度。流入网络的电流随着输入数码的改变而变，产生寄生电抗导致电流的延迟，影响转换速度。第27页，课件共45页，创作于2023年2月2.3反T型电阻网络D/A转换器反T型电阻网络D/A转换器的基本结构第28页，课件共45页，创作于2023年2月反T型电阻网络D/A转换器的原理图第29页，课件共45页，创作于2023年2月2.3反T型电阻网络D/A转换器反T型电阻网络D/A转换器的优点电阻网络中各支路电流是恒定的，不随输入数码的改变而改变，因此，大大减小了网络电阻寄生电抗对转换器动态性能的影响。模拟切换开关只是在两个不同的‘‘地’’之间控制电流的流向，故可以采用模拟电流开关，以提高开关速度。随着输入数码的改变，网络等效电阻值不变，基准源的负载恒定，有利于基准源保持输出电压的稳定。

第30页，课件共45页，创作于2023年2月2.3反T型电阻网络D/A转换器双极性工作方式任何单极性并行D／A转换器都可以改为双极性的D／A转换器，但需具备正、负基准电源。第31页，课件共45页，创作于2023年2月2.3反T型电阻网络D/A转换器它是在运算放大器的反相输入端加一个固定偏移电流。配置的电阻Rof在数值上使偏移电流Iof等于最高位(符号位)的电流，即：但方向相反。这样，对应于输入数码的其他数值，网络输出电流将在+I/2〜-I/2之间变化，运算放大器将此电流转换成相应的电压输出。

第32页，课件共45页，创作于2023年2月2.4权电阻型D／A转换器权电阻型D／A转换器的工作原理

第33页，课件共45页，创作于2023年2月2.4权电阻型D／A转换器在输入数码的作用下各支路流向放大器反相端的电流总和为:

对于n位权电阻网络的D／A转换器则有：第34页，课件共45页，创作于2023年2月2.4权电阻型D／A转换器如果运算放大器的反馈电阻值为R/2，则D／A转换器的输出电压为：因此，模拟输出电压与输入数码Xp成正比

第35页，课件共45页，创作于2023年2月2.5集成D/A转换器10位单片CMOSD／A转换器(AD7520)基本结构和性能

它是制作在单块硅片上的D／A转换器，由十个CMOS模拟开关和做在CMOS芯片上的薄膜R-2R及反T形电阻网络组成。

第36页，课件共45页，创作于2023年2月2.5集成D/A转换器转换器的电路连接

单极性的D／A转换器

第37页，课件共45页，创作于2023年2月2.5集成D/A转换器其输出表达式为：单极性输入数码

模拟输出

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