第9章AD及DA转换器Word文档下载推荐.docx

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在并行D／A转换器中，最常用的电阻网络是“9.２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=—2/3UNxp×

３R／２R＝—Unxｐ（9-2）

式中Ri——运算放大器的输入运算电阻，Ri=2Ｒ。

图9．2

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.

９.2　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：

　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±

1／2LＳＢ（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9。

3所示）,因此其建立时间比较长。

图９．３

（5）温度系数：

　在满刻度输出的条件下,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-40℃~85℃之间,较差的D/A转换器的工作温度范围在0℃～70℃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.

3　ＤAC0832　Ｄ/Ａ转换器ﻫ9．３。

1　DAC083２的结构ﻫ

ＤAＣ0832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１μｓ

单电源+5～+15Ｖ

VＲEF输入端电压±

2５V

分辨率8位

功率耗能２０0mW

最大电源电压VDD1７V

DＡC083２的逻辑结构如图9。

4所示,引脚信号如图９。

５所示.

图9.４

图９.５

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。

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.

DAC0８32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9。

6所示。

图9．６

９。

3。

2DＡC08３2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，DAC０8３2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ＤAC0832同时输出的情形.方法是先分别使这些ＤAＣ0８32的输入寄存器接收数据,再控制这些DAC0832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。

DAC０８3２的外部连接线路如图9。

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9.７

要使DAC０832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，４000Ｈ

MＯVAL,［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9.６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

　　MOV　AL，0FＦH；

初值为０FFＨ

　　ＩNＣＡL

　　　ＯUTDX，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：

MOV　DX,ＰORＴA;

PORＴＡ为D/Ａ转换器端口号

　ＭOＶＡL,０FFＨ；

初值为0ＦＦＨ

RＯTAＴＥ：

INC　ＡL

OUT　DX，　ＡL；

ＣＡＬＬDEＬＡY　　　　；

调用延迟子程序

JMＰDX,RＯTATＥP

MOV　ＤＸ,ＤATA　　　;

往CX中送延迟常数

DEＬＡY:

　　ＬOOＰDＥＬAY

RＥT

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，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0～255，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/255≈１９。

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Δ,如图9。

８（a）所示。

图9.８

图中Δ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,Δ为１。

22ｍV。

定义Δ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Δ。

精度通常用最小有效位ＬＳＢ的分数值来表示。

在图9。

８（ａ）中,设Δ的中点为A,如果输入模拟量在Ａ±

Δ／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Δ/４,转换器输出仍为同一数码D,则称其精度为±

1/4LSＢ，如图9.８（b）所示。

如果模拟量的实际变化范围如图9.8（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１/４～２LSB.

３。

转换时间

完成一次A/D转换所需要的时间，称为A/D转换电路的转换时间.目前,常用的Ａ/Ｄ转换集成芯片的转换时间约为几个μs～2０0μｓ.在选用A／D转换集成芯片时，应综合考虑分辨率、精度、转换时间、使用环境温度以及经济性等诸因素.１2位Ａ/D转换器适用于高分辨率系统；

陶瓷封装A／D转换芯片适用于-25～＋８5℃或－５5～+1２5℃,塑料封装芯片适且于0~70℃。

4.温度系数和增益系数

这两项指标都是表示A／D转换器受环境温度影响的程度。

一般用每摄氏度温度变化所产生的相对误差作为指标,以ppm／℃为单位表示.

5。

　对电源电压变化的抑制比

A/D转换器对电源电压变化的抑制比（ＰＳＲR）用改变电源电压使数据发生±

1LSB变化时所对应的电源电压变化范围来表示。

5A/Ｄ转换器工作原理

AＤC是把模拟量（通常是模拟电压）信号转换为n位二进制数字量信号的电路.这种转换通常分4步进行：

采样→保持→量化→编码

前两步在采样保持电路中完成，后两步在Ａ/D转换过程中同时实现。

５。

1　　采样ﻫ

所谓采样，是将一个时间上连续变化的模拟量转换为时间上断续变化的（离散的）模拟量。

或者说，采样是把一个时间上连续变化的模拟量转换为一个串脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量，时间上通常采用等时间间隔采样。

采样过程的示意图如图9.９所示.

图９.9

采样器相当于一个受控的理想开关，s（t）=１时,开关闭合，ｆｓ（t）＝f（t）；

s（ｔ）=0时开关断开,ｆｓ（ｔ）=０。

如用数字逻辑式表示，即为：

ｆs（t）=ｆ（t）·

ｓ（ｔ）,s（ｔ）=1或0,也可用波形图表示,如图9．１0（a），（ｂ），（c）所示。

从波形图可见，在ｓ（t）=1期间，输出跟踪输入变化，相当于输出把输入的“样品”采下来了.所以也可把采样电路叫做跟踪电路。

１0

５.2　保持ﻫ

所谓保持,就是将采样得到的模拟量值保持下来，即是说，ｓ（t）=0期间，使输出不是等于０，而是等于采样控制脉冲存在的最后瞬间的采样值，如图9—保持电路如图９．１1所示。

它由ＭOS管采样开关T、保持电容Cb和运放做成的跟随器三部分组成。

ｓ（t）＝1时，T导通，vｉ向Cb充电，vC和v0跟踪vi变化,即对vｉ采样.s（t）=0时，Ｔ截止,v0将保持前一瞬间采样的数值不变。

只要Cb的漏电电阻、跟随器的输入电阻和ＭOS管Ｔ的截止电阻都足够大,大到可忽略Ｃb的放电电流的程度,v0就能保持到下次采样脉冲到来之前而基本不变.实际中进行A／Ｄ转换时所用的输入电压,就是这种保持下来的采样电压,也就是每次采样结束时的输入电压.

1１

所谓量化，就是用基本的量化电平q的个数来表示采样-保持电路得到的模拟电压值。

这一过程实质上是把时间上离散而数字上连续的模拟量以一定的准确度变为时间上、数字上都离散的、量级化的等效数字值。

量级化的方法通常有两种：

只舍不入法和有舍有入法（四舍五入法）。

这两种量化法的示意图如图9。

１2（a）和图9。

１２（b）所示。

图9．12（c）给出了一个用只舍不入法量化的实例。

从图中可看出，量化过程也就是把采样保持下来的模拟值舍入成整数的过程．

显然,对于连续变化的模拟量，只有当数值正好等于量化电平的整数倍时，量化后才是准确值,如图

5.3　量化和编码ﻫ

9．１2（ｃ）中T１，T2,T4，T6，T8，T1１，Ｔ12时刻所示。

不然,量化的结果都只能是输入模拟量的近似值。

这种由于量化而产生的误差，称之为量化误差，它直接影响了转换器的转换精度.量化误差是由于量化电平的有限性造成的,所以它是原理性误差，只能减小，而无法消除.

为减小量化误差,根本的办法是取小的量化电平。

另外,在量化电平一定的情况下,一般采用四舍五入法带来的量化误差只是只舍不入法引起的量化误差的一半.

编码就是把已经量化的模拟数值（它一定是量化电平的整数倍）用二进制数码、BＣD码或其他码来表示，比如用二进制来对图9.12（c）的量化结果进行编码，则可得到图中所示的编码输出。

至此,即完成了Ａ/D转换的全过程,将各采样点的模拟电压转换成了与之一一对应的二进制数码。

12

实现A/D转换的方法很多,常用的有逐次逼近法、双积分法及电压频率转换法等.

１。

　逐次逼近法A/Ｄ转换器

逐次逼近法A/D转换是一个具有反馈回路的闭路系统．A／D转换器可划分成3大部分：

比较环节、控制环节、比较标准（Ｄ／A转换器）。

图９。

1３就是逐次逼近法A/D转换器的原理电路。

其主要原理为:

将一个待转换的模拟输入信号ＶIＮ与一个“推测”信号V1相比较，根据推测信号是大于还是小于输入信号来决定减小还是增大该推测信号，以便向模拟输入信号逼近。

推测信号由Ｄ/A变换器的输出获得，当推测信号与模拟输入信号“相等”时,向D/A转换器输入的数字即为对应的模拟输入的数字.

图9.１3

其“推测"

的算法是这样的，它使二进制计数器中的二进制数的每一位从最高位起依次置1。

每接一位时,都要进行测试。

若模拟输入信号VＩＮ小于推测信号V１，则比较器的输出为零,并使该位置零；

否则比较器的输出为1，并使该位保持１。

无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。

此时在D/A变换器的数字输入即为对应于模拟输入信号的数字量，将此数字输出，即完成其A/Ｄ转换过程.

２。

　双积分法A/D转换器

9.１４（a）所示。

双积分法A/D转换器是将未知电压ＶＸ转换成时间值来间接测量的，所以双积分法A/D转换器也叫做T—V型A/D转换器。

１4

在进行一次A/D转换时，开关先把VX采样输入到积分器,积分器从零开始进行固定时间T的正向积分,时间T到后,开关将与VX极性相反的基准电压ＶREF输入到积分器进行反相积分，到输出为零伏时停止反相积分。

图９.1４（b）所示的积分器输出波形可以看出：

反相积分时积分器的斜率是固定的,VＸ越大、积分器的输出电压越大、反相积分时间越长。

计数器在反相积分时间内所计的数值就是与输入电压VX在时间T内的平均值对应的数字量。

由于这种A/D要经历正、反两次积分，故转换速度较慢。

电压频率转换法Ａ/D转换器

（1）VＦC模/数转换器工作原理：

VFC（电压频率转换器）构成模/数转换器时,由计数器、控制门及一个具有恒定时间的时钟门控制信号组成。

１５示出ＶＦC型Ａ/Ｄ转换装置的流程图和波形.当电压Vｉ加至VFＣ的输入端后，便产生频率f与Ｖi成正比的脉冲.该脉冲通过由时钟控制的门，在单位时间T内由计数器计数。

计数器在每次计数开始时，原来的计数值被清零.这样,每个单位时间内，计数器的计数值就正比于输入电压Vi,从而完成Ａ／Ｄ变换。

1５

当VFＣ的满度频率已知时,Ａ/D转换周期为：

　　T=N/Ｆ　（９—３）

式中Ｎ——Ａ/Ｄ转换器最大输出计数值;

F——VＦC的满度频率。

VFＣ与微型机结合起来，可方便的构成多位高精度的A/D转换器,且具有如下特点：

①ＶＦC价格不高.用它构成的Ａ/D转换器,在零点漂移及非线性误差等方面，性能均优于逐次逼近式Ａ/Ｄ转换器。

②VＦＣ输出频率为f的脉冲信号,只需要两根传输线就可进行传送。

用这种方式对生产现场的信号进行采样和远距离传输都很方便，且传输过程中的抗干扰能力强.

③VＦＣ的输入量为模似信号Vｉ输出的是脉冲信号，只需采用光耦合器传输脉冲信号，便可实现模似输入信号Vi和计算机系统之间的隔离。

④由于VFC的工作过程具有积分特性，因此在构成A／D转换器时，对噪声具有良好的滤波作用。

所以,采用VFC进行Ａ／D转换时，其输入信号的滤波环节可简化。

采用VFC构成A／Ｄ转换器的缺点是转换速度较慢。

为了克服这一缺点,可采用如下措施：

（ａ）采用高频VFC。

若采用5MＨz的VＦＣ构成１０位Ａ／D转换器,则最大转换时间只需200μｓ，这就进入了中速A／D转换的行列．（b）在多微机系统中,利用单片机与ＶFC构成A／D转换器。

由于系统是多机同时工作，即在同一时间内，系统可实现多功能的控制运算,这就解决了实时控制中在速度上的矛盾．

（２）电压频率变换器（ＶFC）的传输特性：

VFC是输出信号频率正比于输入电压数值的线性变换器,其传输特性（如图９。

16所示）可由下式表示:

　　ｆ＝KＶi　（9—4）

式中　f-—变换器输出信号频率；

　　Ｖi－—变换器输入电压；

K－—变换器的增益。

　　　ＶＦC具有如下主要指标:

图9．16

①　频率范围：

是指在额定输入电压范围内的输出脉冲频率范围,通常分0~１0kＨz，０~100kHz，0～１ＭHz三种.近年来，国外已生产出输出频率为0~5MHz的ＶFC模块（如美国TＰ公司生产的４707）。

②　模拟输入电压范围:

变换器额定输入电压的范围，一般为0～10Ｖ，该输入值通常还允许超出量程１０％~100％。

③输入阻抗：

输入端对地的等效电阻，该值一般在10～1０0ｋΩ之间.

④非线性误差：

一般用相对满量程的百分数表示，通常在±

0。

１％~±

0．００1％之间。

⑤满程稳定性:

包括满程温度系数、时间漂移、电源电压灵敏度3部分。

其中温度系数是主要的，一般几十～几百ｐpm（即百万分之几）/℃的数量级。

⑥　工作电压:

一般是±

15V，其可变化范围为±

12~±

18V.

⑦电源电流：

该指标实际上表示了器件的功耗.正负电源电流一般为几ｍA到20～３０mA.

⑧工作温度：

通常要求VＦＣ模块在0℃～+70℃范围内能正常工作。

9.6　ＡDＣ０８09Ａ/D转换器ﻫ9。

6．1ADC　0809的结构

ＡDC0809是Natiｏnal半导体公司生产CＭOＳ材料的A/D转换器。

它是具有8个通道的模拟量输入线,可在程序控制下对任意通道进行Ａ/D转换，得到8位二进制数字量。

其引脚如图9。

１7所示.其主要技术指标如下：

　电源电压　　　　６。

５V

分辨率　　　　　　　８位

时钟频率　　6４０kＨz

　转换时间　　　　１０0μｓ

未经调整误差　　１／２LＳB和1LSＢ

模拟量输入电压范围　0～5V

　功耗　　　15mW

图9.１7

1８为ADC０8０9内部原理框图，片内有8路模拟开关、模拟开关的地址锁存与译码电路、比较器、２56R电阻Ｔ型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器ＳＡR、三态输出锁存缓冲存储器、控制与时序电路等。

AＤＣ０809通过引脚IN0，IN1，…，IN7可输入８路单边模拟输入电压。

ALE将3位地址线ＡＤDA,ＡDDB，ADＤC进行锁存，然后由译码器选通8路中的一路进行A/D转换.

9.１9示出了4Ｒ电阻网络及相应的开关树。

图中VST输出的大小,除了与ＶRＥＦ输入电压的大小有关外,还与开关树内各个开关的合、断状态有关。

开关的合断又取决于一个二进制数字D1Ｄ0.Ｄ1控制右边两个开关S10和S11：

当D1=1时，上面的开关S１0闭合而下面的开关S１1断开;

当D１＝0时，则反之.D0控制左边４个开关S00~S0３;

当Ｄ0＝1时,S00和Ｓ02闭合而S01和Ｓ０3断开；

当Ｄ0=0时，则反之。

由此可见,这部分电路相当于一个D／Ａ转换器。

１8

１９

可见，VST电压的大小取决于输入的数字量D１D０。

８位的情况与此类似。

SAR（逐次逼近寄存器）和比较器的工作原理如下：

在变换前，ＳAＲ为全零。

变换开始，先使最高位为１,其余位仍为0，此“数字”控制开关树中开关的合、断,开关树的输出ＶST和模拟量输入VIN一起输入比较器进行比较.如果