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1、第10章A/D及D/A转换器,10.1D/A转换器工作原理10.2D/A转换器的主要性能指标10.3DAC 0832 D/A转换器10.4A/D转换器主要性能指标10.5A/D转换器工作原理10.6ADC 0809 A/D转换器10.7AD 570 A/D转换器习题,A/D(模/数)及D/A(数/模)转换技术广泛应用于计算机控制系统及数字测量仪表中。将模拟量信号转换成数字量的器件称为模/数转换器(简称A/D转换器)，而将数字量信号转换成模拟量信号的器件称为数/模转换器(简称D/A转换器)。,10.1 D/A转换器工作原理,D/A转换器从工作原理上可分为并行D/A转换器及串行D/A转换器两种。并
2、行D/A转换器的转换速度快，但电路复杂。随着微电子技术的发展，并行D/A转换器集成电路目前已大量生产，广为采用。并行D/A转换器的位数与输入数码的位数相同，对应输入数码的每一位都设有信号输入端，用以控制相应的模拟切换开关，把基准电压Un接到电阻网络上。并行D/A转换器的原理如图10.1所示。,图10.1,电阻网络将基准电压转变为相应的电流或电压，在运算放大器的输入端进行总加。放大器的输出则反映了输入数码的大小。如输入数码xp=a12-1+a22-2+ai2-i+an2-n，则：Uo=UNxp=UN(a12-1+a22-2+an2-n)=UNai2-i(10-1)其中，ai是1还是0，取决于输入
3、数码第i位是逻辑1还是逻辑0。如果ai=1，基准电压UN通过模拟切换开关加到电阻网络上；如果a1=0，模拟切换开关断开，基准电压UN不能加到电阻网络上。并行D/A转换器的转换速度很快，只要输入端加入数码信号，输出端立即有相应的模拟电压输出。,ui=1,在并行D/A转换器中，最常用的电阻网络是“T”形网络。12位T形网络D/A转换器原理如图10.2所示。它由12个串联分路开关、27个精密电阻和一个运算放大器组成。电阻网络只用R及2R两种规格的电阻。电阻网络的输出接至运算放大器，若反馈电阻Rf的值为3R，则总的输出电压UO为：UO=-U0Rf/Ri=-2/3UNxp3R/2R=-Unxp (10-
4、2)式中Ri运算放大器的输入运算电阻，Ri=2R。,图10.2,因此，当输入二进制码xp为全1，运算放大器输出为-(1-1/212)UN；当输入二进制码xp为全0，则运算放大器输出为0。所以，D/A转换器的输出在0(1-1/212)UN之间变动。,10.2 D/A转换器的主要性能指标,D/A转换器的主要特性指标包括以下几方面：(1) 分辨率： 指最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为“1”)之比。如N位D/A转换器，其分辨率为1/(2N-1)。在实际使用中，表示分辨率大小的方法也用输入数字量的位数来表示。,(2) 线性度： 用非线性
5、误差的大小表示D/A转换的线性度。并且把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。(3) 转换精度： D/A转换器的转换精度与D/A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。如果不考虑其他D/A转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率的大小，因此要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关，当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，D/A转换就产生错误。在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。,(4) 建立时间
6、： 建立时间是D/A转换速率快慢的一个重要参数，也是D/A转换器中的输入代码有满度值的变化时，其输出模拟信号电压(或模拟信号电流)达到满刻度值/2LSB(或与满刻度值差百分之多少)时所需要的时间。不同型号的D/A转换器，其建立时间也不同，一般从几个毫微秒到几个微秒。若输出形式是电流的，其D/A转换器的建立时间是很短的；若输出形式是电压的，其D/A转换器的主要建立时间是输出运算放大器所需要的响应时间。由于一般线性差分运算放大器的动态响应速度较低，D/A转换器的内部都带有输出运算放大器或者外接输出放大器的电路(如图10.3所示)，因此其建立时间比较长。,图10.3,(5) 温度系数： 在满刻度输出
7、的条件下，温度每升高1，输出变化的百分数定义为温度系数。(6) 电源抑制比： 对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。(7) 工作温度范围： 一般情况下，影响D/A转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。由于工作温度会对运算放大器加权电阻网络等产生影响，所以只有在一定的工作范围内才能保证额定精度指标。较好的D/A转换器的工作温度范围在-4085之间，较差的D/A转换器的工作温度范围在070之间。多数器件其静、动态指标均,在25的工作温度下测得的，工作温度对
8、各项精度指标的影响用温度系数来描述，如失调温度系数、增益温度系数、微分线性误差温度系数等。(8) 失调误差(或称零点误差)： 失调误差定义为数字输入全为0码时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。对于单极性D/A转换，模拟输出的理想值为零伏点。对于双极性D/A转换，理想值为负域满量程。偏差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。(9) 增益误差(或称标度误差)： D/A转换器的输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差称为增益误差。增益误差在消除失调误差后用满码(全1),输入时其输出值与理想输出值(满量程)之间的偏差表示，一
9、般也用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。(10) 非线性误差： D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中，一般要求非线性误差不大于1/2LSB。,10.3 DAC 0832 D/A转换器10.3.1 DAC 0832的结构,DAC 0832是美国数据公司的8位双缓冲D/A转换器，片内带有数据锁存器，可与通常的微处理器直接接口。电路有极好的温度跟随性。使用CMOS电流开关和控制逻辑来获得低功耗和低输出泄漏电流误差。其主要技术指标如下：电流建立时间1s单电源+5+15VVREF输入端电压25V分
10、辨率8位功率耗能200mW最大电源电压VDD17V,DAC0832的逻辑结构如图10.4所示，引脚信号如图10.5所示。,图10.4,图10.5,DAC0832由8位输入锁存器，8位DAC寄存器8位D/A转换电路组成。当ILE为高电平，CS为低电平，WR1为负脉冲时，在LE1产生正脉冲；LE1为高电平时，输入寄存器的状态随数据输入线状态变化，LE1的负跳变将输入数据线上的信息存入输入寄存器。图10.60832的电压输出电路当XFER为低电平，WR2输入负脉冲时，则在LE2产生正脉冲；LE2为高电平时，DAC寄存器的输入与输出寄存器的状态一致，LE2的负跳变，输入寄存器内容存入DAC寄存器。DA
11、C 0832的输出是电流型的。在微机系统中，通常需要电压信号，电流信号和电压信号之间的转换可由运算放大器实现，原理如图10.6所示。,图10.6,10.3.2 DAC 0832工作方式,根据对DAC 0832的输入锁存器和DAC寄存器的不同的控制方法，DAC 0832有如下3种工作方式：(1) 单缓冲方式： 此方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量非同步输出的情形。方法是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收数据，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。(2) 双缓冲方式： 此方式适用于多个DAC 0832同时输出的情形。方法是先分别使这些DAC 0832的输入寄存器接收数据，再控制这
12、些DAC 0832同时传送数据到DAC寄存器以实现多个D/A转换同步输出。,(3) 直通方式： 此方式适用于连续反馈控制线路中。方法是：数据不通过缓冲存储器，即WR1，WR2，XFER，CS均接地，ILE接高电平。此时必须通过I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A的转换。DAC 0832的外部连接线路如图10.7所示，由于0832内部已有数据锁存器，所以在控制信号作用下，可以对总线上的数据直接进行锁存。在CPU执行输出指令时，WR1 和 CS 信号处于有效电平。,图10.7,要使DAC 0832实现一次D/A转换，可采用以下程序，程序中假设要转换的数据放在4000H单元中。MOVBX，4
13、000HMOVAL，BX；数据送AL中MOVDX，PORTA；PORTA为D/A转换器端口号OUTDX，AT在实际应用中，经常需要用到一个线性增长的电压去控制某一个检测过程或者作为扫描电压去控制一个电子束的移动。为了说明D/A转换器的应用，我们来看一下怎样利用D/A转换器产生一个锯齿电压。,对于图10.6的电路，为产生一个锯齿电压，可采用以下程序：ROTATE：MOVDX，PORTA；PORTA为D/A转换器端口号MOVAL，0FFH；初值为0FFHINCALOUTDX，AL ；往D/A转换器输出数据JMPROTATE实际上，上面程序在执行时得到的输出电压会有256个小台阶，不过，宏观看，仍为
14、连续上升的锯齿波。对于锯齿波的周期，可以利用延迟进行调整。延迟的时间如果比较短，那么，就可以用几条NOP指令来实现，如果比较长，则可用延迟子程序。比如，下面的程序段就是利用延迟子程序来控制锯齿波周期的。,ROTATE：MOVDX，PORTA；PORTA为D/A转换器端口号MOVAL，0FFH；初值为0FFHROTATE：INCALOUTDX, AL；往D/A转换器输出数据CALLDELAY ；调用延迟子程序JMPDX，ROTATEPMOV DX,DATA ；往CX中送延迟常数DELAY: LOOP DELAYRET,10.4 A/D转换器主要性能指标,A/D转换器是将模拟量转换成数字量的器件，
15、模拟量可以是电压、电流等信号，也可以是声、光、压力、温度、湿度等随时间连续变化的非电的物理量。非电量的模拟量可通过适当的传感器(如光电传感器、压力传感器、温度传感器)转换成电信号。A/D转换器主要性能指标有以下几方面。 1. 分辨率分辨率表示转换器对微小输入量变化的敏感程度，通常用转换器输出数字量的位数来表示。例如，对8位A/D转换器，其数字输出量的变化范围为0255，当输入电压满刻度为5V时，转换电路对输入模拟电压的分辨能力为5V/25519.6mV。目前常用的A/D转换集成芯片的转换位数有8位、10位、12位和14位等。,2. 精度A/D转换器的精度是指与数字输出量所对应的模拟输入量的实际
16、值与理论值之间的差值。A/D转换电路中与每个数字量对应的模拟输入量并非是单一的数值，而是一个范围，如图10.8(a)所示。,图10.8,图中的大小，在理论上取决于电路的分辨率。例如，对满刻度输入电压为5V的12位A/D转换器，为1.22mV。定义为数字量的最小有效位LSB。但在外界环境的影响下，与每一数字输出量对应的输入量实际范围往往偏离理论值。精度通常用最小有效位LSB的分数值来表示。在图10.(a)中，设的中点为A，如果输入模拟量在A/2的范围内，产生唯一的数字量D，则这时称转换器的精度为0LSB。若模拟量变化范围的上限值和下限值各增减/4，转换器输出仍为同一数码D，则称其精度为1/4LSB，如图10.8(b)所示。如果模拟量的实际变化范围如图10.8(c)所示，这时称其精度为1/2LSB。目前常用的A/D转换集成芯片的精度为1/42LSB。,
