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第十一章 D/A 和 A/D 转换电路. 数字系统的特点:. 输入、输出都是数字量。. 自然界所存在的物理量大多数是模拟量,如温度、湿度、压力、流量、速度、时间等。数字系统不能直接处理模拟量,所以要把模拟量先转换为数字量( A/D) ,然后送入数字系统中去处理。数字系统把处理的结果以数字量的形式送出,经过数模( D/A) 转换电路再将数字信号转换为模拟信号送到控制执行元件,执行元件按照控制程序要求精确控制受控对象 。. 微处理器 ROM 4KX8. 工业电炉. 放大. A/D. 显示. 键盘. 可控硅. D/A. - PowerPoint PPT Presentation
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数字系统的特点:输入、输出都是数字量。 自然界所存在的物理量大多数是模拟量,如温度、湿度、压力、流量、速度、时间等。数字系统不能直接处理模拟量,所以要把模拟量先转换为数字量( A/D) ,然后送入数字系统中去处理。数字系统把处理的结果以数字量的形式送出,经过数模( D/A) 转换电路再将数字信号转换为模拟信号送到控制执行元件,执行元件按照控制程序要求精确控制受控对象。
工业电炉
放大 A/D 微处理器
ROM4KX8
显示
键盘D/A可控硅
为了保证数据处理的准确性, A/D 转换器和 D/A 转换器必须达到一定的转换精度。同时,为了适应快速过程的检测和控制, A/D 转换器和 D/A 转换器必须有足够快的转换速度。 在目前常见的 D/A 转换器中,有权电阻网络 D/A 转换器,梯形电阻网络、倒梯形电阻网络 D/A 转换器。 A/D 转换器的类型也很多,可以分为直接 A/D 转换器和间接 A/D 转换器两大类。 直接 A/D 转换器:输入的模拟信号直接被转换成相应的数字信号。 间接 A/D 转换器:是将输入的模拟信号先转换成某个中间变量(如时间 T 、频率 F 等),然后再将中间变量转换为最后的数字量。 考虑到 D/A 转换器的工作原理比较简单,而有些 A/D转换器需要用到 D/A 转换器作为内部反馈电路,所以首先讨论 D/A 转换器工作原理,再介绍 A/D 转换器。
D/A 转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号,以电压(或电流)的形式输出。因此, D/A 转换器可以看作是一个译码器。一般常用的线性 D/A 转换器,其输出的模拟电压 V 和数字量 D 成正比关系。 V=KD,K 为常数。一、基本原理
输入是n 位二进制数
D/A
in
iiOO Dkiv 2)(
1
0
D0D1
Dn-1 k: 转换比例系数输出模拟电压(或模拟电流)与输入数字量成正比关系。假设:转换比例系数 K=1, 输入数字量 n=3
00
11
22 222)( DDDiv OO 输出模拟电压(或模拟电流)为:
)13,2,1,0( ni iD0 ≦ ≦ 1
位权值
D2 D1 D0 VO/V
0 0 0 0
0 0 1 1
0 1 0 2
0 1 1 3
1 0 0 4
1 0 1 5
1 1 0 6
1 1 1 7
00
11
22 222)( DDDiv OO
从转换特性表中看出: ★每一个二进制代码的数字信号,通过位数(位权值)的计算,都可以对应一个相应的十进制数。 ★ 相邻两个数字信号转换出来的数值是不连续的,说明转换电路存在转换误差。这个误差也就是 D/A 转换电路所能分解的最小量,通常称为量化级。
D/A 转换特性
7654321
000 001 010 011 100 101 110 111 000
VO/V
D
转换误差= 满值n2
1
mVV 87572
13
n = 3
n = 4 mVV 43772
14
n = 10 mVV 8.672
110
n = 12 mVV 7.172
112
输入数字信号的位数越多,输出的模拟信号越接近连续模拟信号,转换的精度也就越高。
(输入数字信号全 1 时的输出最大模拟电压)
D3 D2 D1 D0
VREF
S3 S2 S1 S0
23R22R21R20R
RF
+-
+
★ 电路构成:(以 4 位 D/A 为例)
☆模拟电子开关 S:
D i = 0, S i = GNDD i =1, S i = VREF
☆ 权电阻网络:是一个加权求和电路,通过它可以把输入数字量 D 中的各位 1按位权变化为相应的电流,再经过运放求和,最终得到与 D 成正比的模拟电压 VO 。
位权电阻分别为: 20R 、 21R 、 22R 、 23R
☆基准电压: VREF 通过模拟开关,按权关系加到电阻解码网络。
☆求和放大器 :由运放构成的反向放大器组成。作为求和权电阻网络的缓冲器,使输出模拟电压 VO 不受负载变化的影响。并且可以通过改变反馈电阻 Rf 的大小来调节转换比例系数。
模拟开关受二进制数码 D i 的控制。 D3D2D1D0 控制相应的模拟电子开关 S3S2S1S0 。
D3D2D1D0=1000 时:S3 接 VREF, 其余接地
I3
I2 I1 I0
R
VI REF
03 2
D3D2D1D0=0100 时:S2 接 VREF, 其余接地 R
VI REF
12 2
D3D2D1D0=0010 时:S1 接 VREF, 其余接地 R
VI REF
21 2
R
VI REF
30 2D3D2D1D0=0001 时:
S0 接 VREF, 其余接地D3D2D1D0=1111 时:D3D2D1D0 全部接 VREF
根据叠加原理求和放大器总输入电流为:
0123 IIIIi
03122130 2222D
R
VD
R
VD
R
VD
R
V REFREFREFREF
)2222(2
00
11
22
333
DDDDR
VREF
i
ii
REF DR
V2
2
3
03
i
)3,2,1,0(i
1 0 0 00 1 0 00 0 1 00 0 0 11 1 1 1D3 D2 D1 D0
VREF
S3 S2 S1 S0
23R22R21R20R
RF
+-
+
对于 n 位权电阻网络 D/A 转换器总电流为:
in
iin
REF DR
Vi 22
1
01
求和放大器输出电压为: in
iin
fREFfo D
R
RViRv 2
2
1
01
in
iin
REFf DV
R
R2
2
2 1
0
-输出模拟电压 VO 的大小与输入的二进制数码的数值大小成正比, i
n
iiD 2
1
0
★ 输入二进制数码位数越多,量化级越小, D/A 输出电压越接近模拟电压。
同时还与量化级有关。nREFV
2
例 1 :设 4 位 D/A 转换器输入二进制数码 D3D2D1D0=1101,基准电压 VREF=-8V,Rf = R/2, 求输出电压 VO 。
in
iin
REFfo D
V
R
Rv 2
2
2 1
0
)21202121(2
81 0123
4
-
V5.6
电路结构简单,使用电阻数目少, n 位有 n个电阻。
电阻取值范围大。如果 n=8, 取 R=10KΩ,那么 27R=1.28MΩ
在 10KΩ~1.28MΩ 宽范围内要保证电阻的精度是十分困难的。例 2 :设 4 位 D/A 转换器输入二进制数码为 0000~1111, 基准电压 VREF=-8V,Rf = R/2, 求输出电压 VO 。并画出输出 VO 波形。
D3 D2 D1 D0 VO
0 0 0 0 0
0 0 0 1 0.5
0 0 1 0 1
0 0 1 1 1.5
0 1 0 0 2
0 1 0 1 2.5
0 1 1 0 3
0 1 1 1 3.5
1 0 0 0 4
1 0 0 1 4.5
1 0 1 0 5
1 0 1 1 5.5
1 1 0 0 6
1 1 0 1 6.5
1 1 1 0 7
1 1 1 1 7.5
in
iin
REFfo D
V
R
Rv 2
2
2 1
0
)1248(16
80123 DDDD
-
t
6 7
4
1
3
2
5
OV
0
★ T 型网络中只有两种电阻 R 、 2R
★ 从任何一个接点向左、右、下看进去的等效电阻均为 2R 。
0 1 2 3
开关支路接点流进的电流等分为二,从左、右支路流出。
R
VI REF
3I
2/I2/I
S3S2S1S0
D0 D1 D2 D3
++
-R 2R
2R2R2R2R2R
RR
VREF
RF
VREF
2R 2R
2R
D3D2D1D0=0001 时:S0 接 VREF, 其余接地
R
VI REF
30 I0 I1 I2 I3
该电流 每通过一个接点二等分一次,到求和电路输入端共通过 0 , 1 ,2 , 3 四个节点,所以 :
4'00 2
1
3
R
VII REF
3'11 2
1
3
R
VII REF
2'22 2
1
3
R
VII REF
1'33 2
1
3
R
VII REF
D3D2D1D0=0010 时:
D3D2D1D0=0100 时:
D3D2D1D0=1000 时:D3D2D1D0=1111 时:
'3
'2
'1
'0 IIIIi
0 1 2 3i
'0I'1I'2I
1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1
S3S2S1S0
D0 D1 D2 D3
++
-R 2R
2R2R2R2R2R
RR
VREF
RF
31221304 2
1
32
1
32
1
32
1
3D
R
VD
R
VD
R
VD
R
V REFREFREFREF
'3
'2
'1
'0 IIIIi
)2
1
2
1
2
1
2
1(
3 31221304DDDD
R
VREF
)2222(2
1
30
01
12
23
34DDDD
R
VREF
i
ii
REF DR
V2
2
1
3
3
04
求和放大器输出电压:
i
ii
fREFfO D
R
RViRv 2
32
3
04
-
in
ii
f
nREF
fO DR
RViRv 2
32
1
0
- 成正比和数字量 iO Dv
R-2R T 型电阻网络 D/A 转换器的优点:电阻种类少,只有 R 、 2R 两种。
(将两个 R 串连使用,只用一种电阻,电阻精度容易满足。)R-2R T 型电阻网络 D/A 转换器的缺点:★ 速度比较慢,过节点要分流,再到运放传输过程比较长。★ 动态时,假设数字量由 1000→0111 ,会出现尖峰干扰脉冲。
1000 0000 0100 0110 0111
由于 R-2RT 型 D/A 高位先到达求和放大器,其变化过程为高位先变,低位后变。
输出产生尖峰脉冲
★ 要克服 R-2RT 型电阻网络 D/A 转换器速度慢,会出现尖峰干扰脉冲等缺点,应采用 R-2R 倒 T型 D/A 转换器。
1000
0000
01000110
0111
★倒 T 型电阻网络 D/A 转换器仍具有 T 型网络的特点,过一个接点电流二等分一次。
工作原理
★每条支路上的电流直接到运放输入端,减少了传输时间。
☆当输入数字信号任何一位为 1时:对应电子开关将电阻接运放输入端。☆当输入数字信号任何一位为 0时:对应电子开关将电阻接地。☆ 由于运放反向输入端的电位始终接近于“ 0”电位(虚地),所以无论开关接在那一边,都相当于接在“地”电位上。流过每条支路的电流始终不变。画出 R-2R 倒 T 型电阻网络等效电路:
D0 D1 D2 D3
++
-VO
2R
VREF
RF
S3S2S1S0
2R 2R 2R 2R
RRR
R
VI REF
I
所以每条支路电流为:
4031223 2,
2,
2,2
II
II
II
II
★流入电阻网络的总电流为:
0123 IIIIi +++
从等效电路向左看进去,其等效电阻都是 R 。
★电阻网络总电流每流经一个节点,就二等分一次。
I
2
I22
I32
I42
I
★流入运放输入端总电流为:
iD0 D1 D2 D3
++
-VO
2R
VREF
RF
S3S2S1S0
2R 2R 2R 2R
RRR
2R 2R 2R 2R 2R
RRR REFV
R
REFV
0123 IIIIi +++
)2
1
2
1
2
1
2
1( 0413223 DDDD
R
VREF
)22222
1 00
11
22
334
DDDDR
VREF (
i
ii
REF DR
V2
2
1 3
04
i
ii
REFffO D
V
R
RiRv 2
2
3
04
in
iin
REFffO D
V
R
RiRv 2
2
1
0
★ 每条支路电流直接流入运放输入端,不存在传输时间差,提高了工作速度。 同时也有效防止动态过程中输出端可能出现的尖峰干扰脉冲。是目前 D/A 转换速度较快的一种,也是用的最多的一种 D/A 转换器。
D/A 电路 D/A 输出 转换系数 求和表达式权电阻R-2RT 型
R-2R 倒 T
fO iRv
nREFf V
R
R
2
2-
nREFf V
R
R
23-
nREFf V
R
R
2
in
iiD 2
1
0
三种 D/A 转换器输出表达式:
D0 D1 D2 D3
++
-VO
2R
VREF
RF
S3S2S1S0
2R 2R 2R 2R
RRR
在 D/A 转换器中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。☆ 分辨率分辨率是指输入数字量最低有效位为 1 时,对应输出可分辩的电压变化量△ V与最大输出电压 Vm 之比:
12
1
n
mV
V分辨率=
分辨率越高,转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。而分辨率与输入数字量的位数有关, n越大,分辨率越高。
即:最小输出电压与最大输出电压之比的百分数表示。
说明 D/A 转换器对输入信号的分辩能力。
由于 D/A 转换器中各元件参数的偏差,基准电压的波动,和运放的零点漂移都可以影响 D/A 的转换精度。主要误差包括:⑴ 非线性误差 它是电子开关导通的电压降和电阻网络电阻值偏差产生的,常用满刻度的百分比表示。⑵ 比例系数误差 它是基准电压 VERF偏离标准值所引起的误差,也用满刻度的百分比表示。⑶ 漂移误差 由集成运放的零点漂移所造成的误差。增益的改变也会引起增益误差。
要获得高精度的 D/A 转换器,不能仅依靠提高输入数字量的位数,(位数越高,其价格越贵)。还必须有高稳定度的基准电压 VREF 和低漂移的运放相配合,才能获得较高的转换精度。
要获得高精度的 D/A 转换器,不能仅依靠提高输入数字量的位数,(位数越高,其价格越贵)。还必须有高稳定度的基准电压 VREF 和低漂移的运放相配合,才能获得较高的转换精度。
从数字信号输入 DAC起,到输出电流(或电压)达到稳定值所需的时间称为建立时间。建立时间的大小决定了转换速度的快慢。 目前 10~12 位单片集成 D/A 转换器(不包括运放)的建立时间可以在 1μS 以内。
由于 D/A 转换器的各个环节在参数和性能上不可避免存在有误差,所以实际能达到的转换精度还要看转换误差的大小。 转换精度取决于转换误差,转换误差常用输出电压满刻度 FSR(满量程的 1/2n) 的百分数表示,也可以用最低有效位的倍数表示。 例如:转换误差为 1/2LSB, 表示输出模拟电压的绝对误差等于最低有效位输出模拟电压的一半。
集成 D/A转换器种类很多,DAC0832 是通用单片 8 位 D/A 转换器,直接可以和 Z80 、MCS51 等微处理器相连。
0832 由一个八位输入锁存器、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 转换器采用倒 T 型 R-2R 电阻网络。 DAC0832内部无运放,是电流输出,使用时须外加运放。 芯片内部已设置了反馈电阻 R f , 如果运放增益不够,外部还要加反馈电阻。
锁存器
寄存器
D/A
7D6D5D4D3D2D1D0D
7Q 7D 7Q 7DREFV
2OUTI
1LE
DGND
CCV
AGND
fR
1OUTI
&
&
&
2LELIE
CS1WR
2WRXFER
:ILE:CS
:21 XFERWRWR 、、
:REFV
:fR
:1OUTI
:2OUTI
:DGND:AGND
D7~D0:八位输入数据信号
数字地模拟地
VCC: 电源(+ 5V)反馈电阻接线端基准电压输入端
外加一个精确、稳定的基准电压源,(- 10V~+10V)
片选信号,输入低电平有效。
数据传送选通信号,输入低电平有效。输入锁存允许信号,高电平有效。
DAC 输出电流 1 ,作运放一个差分输入信号。当 DAC寄存器全 1时,电流最大,全 0 时,电流最小。DAC 输出电流 2 ,作运放另一个差分输入信号(一般接地)。
IOUT1 、 IOUT2满足如下关系: IOUT1+ IOUT2 =常数
锁存器
寄存器
D/A
7D6D5D4D3D2D1D0D
7Q 7D 7Q 7DREFV
2OUTI
1LE
DGND
CCV
AGND
fR
1OUTI
&
&
&
2LELIE
CS1WR
2WRXFER
锁存器
寄存器
D/A
7D6D5D4D3D2D1D0D
7Q 7D 7Q 7DREFV
2OUTI
1LE
DGND
CCV
AGND
fR
1OUTI
&
&
&
2LELIE
CS1WR
2WRXFER
同时有效时:和、当 1WRCSILE
00
1 1
LE1 为高电平,输入数据 D7~D0 进入锁存器。
同时有效时:和当 XFERWR2
LE2 为高电平,在此期间,锁存器中的数据进入 DAC寄存器。
00
1
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,由 IOUT1 、IOUT2 输出。
0832D/A 转换器有双缓冲型、单缓冲型、和直通型等三种工作 方式。
由于 DAC0832芯片中有两个数据寄存器,可以通过控制信号将数据先锁存在输入锁存器中,当需要 D/A 转换时,再将锁存器中锁存的数据信号装入 DAC 寄存器并进行 D/A 转换,从而达到两极缓冲工作 方式。
00
R
2OUTI
DGND
CCV
AGND
fR
1OUTI7D
1WR
LIE
REFV
V5
CSXFER
2WR
OV
0D
如果令 DAC寄存器处于常通状态,则只控制输入数据锁存器,可以使两个寄存器同时选通和锁存,这就是单缓冲工作 方式。
如果使两个寄存器都处于常通状态,这时两个寄存器的输出跟随数字输入变化而变化, D/A 转换器的输出也同时跟着变化,这种情况应用于连续反馈过程控制系统。
0D R
2OUTI
DGND
CCV
AGND
fR
1OUTI7D
1WR
LIE
REFV
V5
CSXFER
2WR
OV
0D
R
2OUTI
DGND
CCV
AGND
fR
1OUTI7D
1WR
LIE
REFV
V5
CSXFER
2WR
OV
⑴ 数字系统和模拟系统的接口电路⑵ 任意波形产生器
★锯齿波 n 位加法计数器
D/A LBFCP
ROM D/A
波形的形状取决于 ROM 中的数据,改变 ROM 中的数据可以得到不同的波形。
⑴ 若最小输出电压增量为 0.02V, 试问当输入代码为01001101 时,输出电压 VO 为多少伏?⑵ 若其分辨率用百分数表示,则应是多少?⑶ 若某一系统中要求 D/A 转换的精度小于 0.25%, 试问这一 D/A 转换器能否应用?题意分析: 本例题涉及转换器几个参数,一是最小输出电压增量;二是分辨率;三是转换精度。最小电压增量:对应于输入最小数字量的输出模拟电压。
即指数字量每增加一个单位输出模拟电压的增加量。
分辨率: 定义为对最小数字量的分辩能力。一般用输入数字量的位数表示,也可以用最小输出电压与最大输出电压之比的百分数表示。
12
1
n
mV
V分辨率=
转换精度:
用最低有效位的倍数表示。转换误差为 1/2LSB,表示输出模拟电压的绝对误差等于最低有效位输出模拟电压的一半。解:
⑴ 当最小输出电压增量为 0.02V 时,输入代码为 01001101 时,所对应的输出电压 VO 为:
VO=0.02X(26+23+22+20)=1.54V
⑵ 8位 D/A 转换器的分辨率百分数为:
1 / 28-1X100%=0.3922%
⑶ 若要求精度小于 0.25%, 其分辨率应小于 0.5% 。例题 8位 D/A 的分辨率为 0.3922% 满足系统对精度的要求。
⑴ 推导出 VO 和 D3D2D1D0 之间的关系表达式。⑵ 说明转换电路工作原理,画出 VO 和 D0D1D2D3 的工作波形图。
i
iin
REFf DV
R
Rv 2
2
2 3
00
i
iiD
V
R
R2
2
16 3
04
00
11
22
33 2222 DDDD
首先分析是那一种 D/A 转换电路?
然后分析是模几计数器:
S3 S2 S1 S0
23R22R21R20R +-
+
V
VREF16
RRF 2
1
OV
3Q
2Q 1Q 0Q
74161LD
TCT
PCTCP
CR
1&
CP
t32
4
0
6
1
5
78
VVO /
0Q
2Q
1Q
3Q