第七章数模DA和模数AD转换.docx

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第七章数模DA和模数AD转换

第七章数／模（D／A）和模／数（A/D）转换

7.1　概述

数模转换是将数字量转换为模拟电量（电流或电压）,使输出的模拟电量与输入的数字量成正比，实现这种转换功能的电路叫数模转换器,简称DAＣ；模数转换则是将模拟电量转换为数字量,使输出的数字量与输入的模拟电量成正比．实现这种转换功能的电路称为模数转换器,简称ＡDＣ.

数模转换器（DAC）和模数转换器（AＤC）是数字控制系统中不可缺少的组成部分，也是计算机用于工业控制的输入、输出接口电路.它在现代电子系统中的作用如图7．1所示。

在采用计算机对工业生产过程进行控制时，计算机只能接收和处理数字信号，也只能输出数

图７.1　典型数字控制系统框图

字信号,因此在用计算机处理模拟量之前,必须要把这些模拟量，如工业过程中的温度、压力、流量等物理量转换成数字量，才能由计算机系统处理，而计算机处理后的数字量也必须再还原成相应的模拟量，才能实现对模拟系统的控制.除了工业生产控制，ADC和DAＣ也是数字通信和遥控遥测系统中不可缺少的组成部分;ADC也是所有数字测量仪器仪表的核心组成部分。

7。

２　数/模转换器（DAC）

7.2．1D／A转换器的基本概念

D/A转换器（ＤAC）是用以接收数字信息,输出一个与输入的数字量成正比的电压或电流的电路.

图７—2　DAC输入输出关系的框图

１。

转换特性　　

DAＣ的转换特性是指其输出模拟量与输入数字量之间的转换关系。

图７－３　　输入三位二进制数的DAＣ电路的转换特性

理想的DＡC转换特性应是使输出模拟量与输入数字量成正比。

如ＤAC输入的是一个n位二进制数Ｄ（各位系数分别为Dｎ—1、Ｄn-2、…Ｄ１、D0）,则D的数值应为

（7-1）

DAＣ电路的输出电压uo和电流iｏ应该是与Ｄ成正比的模拟量，即

（7－2）

（7—3）

式中，

和

为转换比例系数,上式为转换特性表达式。

例图7-3为输入三位二进制数的DAＣ电路的转换特性曲线（uo—Ｄ或ｉo-Ｄ曲线）。

2．集成D/A转换器的结构及分类

各种类型的集成DＡＣ器件多由参考电压源、电阻网络和电子开关三个基本部分组成.

按电阻网络的结构不同,可将ＤAＣ分成权电阻求和网络DAC、R—2R梯形电阻网络ＤAC、R-2R倒梯形电阻网络ＤAC等几类.由于权电阻求和网络中电阻值离散性太大，精度相对较低，因此在集成ＤＡC中很少用,倒梯形R－2Ｒ电阻网络DAC在集成芯片中要比梯形R－2Ｒ电阻网络DAC应用得广泛.

按电子开关的电路形式不同,集成DAＣ可分成CMＯS开关DＡC和双极型开关ＤAC。

双极型开关ＤAＣ又有三极管电流开关型和ＥCL电流开关型之分,在速度要求不高的场合可选用CMOS开关ＤAC，速度要求较高的场合选用三极管电流开关型DＡＣ，在速度要求很高的场合，则要选择ECL电流开关型DＡC。

7。

２。

2Ｄ/A转换电路

1。

CMＯS开关倒梯形电阻网络D/A转换器

因为倒梯形Ｒ—2R电阻网络DACＣＭOS开关倒梯形电阻网络DAC型号很多，如ＡD7520、AD7５2１、DAC10２0、ＤAC１0２1、ＤＡC1220、DAＣ1221等.我们以实用芯片AＤ７520为例介绍。

1）电路结构　

AＤ752０是1０位ＣMOＳ开关倒梯形电阻网络ＤAC，其原理电路见图７—４所示，基准电压ＶREF需外接，芯片有十个输入端,分别输入十位二进制数Ｄ9～D0,它们分别控制十个CMOS电子开关S9~S０。

当Di＝1时，电子开关Si接io输出端，当Ｄｉ＝0时，电子开关Si接地。

如要转换为模拟电压信号uo，还需外接运算放大器（点划线框内为内部电路，点划线框外为外接电路）,AＤ7５２0内部有反馈电阻RＦ=R=10kΩ，集成运放负反馈电路可用它，也可外接其它阻值的电阻。

AＤ7５2０集成电路的基准电源VＲEＦ电压一般取＋10V。

2）倒梯形CMOS电阻网络转换原理　

由图7—４可见，Ｒ-2R倒梯形电阻网络有n=10位二进制数输入,有10个节点，从节点0向右看有电阻２R，从节点1向右看，也有等效电阻Reｑ=R+2R∥2Ｒ=２Ｒ；依次类推，每个节点向右,均有等效电阻２Ｒ。

电路中的电子开关均由输入的二进制数码来控制,数码为0时,则电子开关接地,数码为1时，则电子开关接运算放大器虚地点.所以，从各节点向地看，等效电阻均为Ｒ,这样,从基准电压VRＥＦ流出的电流

保持恒定。

此电流每经过一个节点，分为相等的两路电流流出,故流过２Ｒ电阻的电流从高位到低位依次为：

Ｉ／2（I/

）、I/4（I/

）、I/8（I/

）…Ｉ/

、I／

、I／

.若ＶＲＥF保持恒定不变，则每个支路的电流为恒流，并且其电流值与数字量的位权成正比。

当某位输入数字Ｄｉ=1时，该位电子开关Sｉ将2Ｒ中的电流引向运算放大器虚地，当Ｄi=0时,Sｉ将电流通入地，故图中电子开关又称为电流开关。

图7-4ＡD７5２0原理电路（倒梯形电阻网络转换原理图）

综上所述，图７-4所示电路中，流入运算放大器虚地的总电流ｉo为:

（７-4）

式中,D为输入二进制数的数值。

可见,模拟输出电流ｉo（流入运算放大器虚地）与１0位二进制数的数值（即数字量）成正比，实现了数字/模拟电流的转换，其转换比例系数

（7－5）

接入运算放大器后,则可将数字量转换为模拟电压，运放的输出电压:

（７—6）

因此，电压转换比例系数

（7-７）

若采用ＡＤ75２０内部反馈电阻RＦ=Ｒ＝10kΩ,则：

（７-8）

对于具有n位输入的一般倒梯形R—2R电阻网络ＤＡＣ，其输出为：

（７—９）

（7-10）

为了保证10位DAC的转换精度,上式中的VREＦ、RF、Ｒ的精度均应优于0。

１％。

2．高速电流输出型Ｄ／A转换器

ＣMOＳ模拟开关DAC转换速度较低,建立时间较长,ＡD752０的建立时间为５0０ns左右.在转换速度要求较高的场合，常选用双极型模拟开关（三极管开关及ECL模拟开关）的高速电流输出型ＤAC．其中最常见的是DAC0800、DAＣ100及AD1408等。

现以ＤAC0８0０为例作简单介绍，它的建立时间只有１00ns。

图７—5为ＤAC０8００的原理框图.由图可见，它由８个高速电流开关Ｓ0～S7，10个恒流管VR、V0~V７、

及梯形电阻网络组成．图中,电子开关Si受输入二进制数Di的控制，当Di=１时Ｓｉ打到右边,接io端;当Di＝０时,Si打到左边,接地．经分析可得知：

总的输出电流iｏ与输入数字量D成正比。

（7-11）

若需实现数字/模拟电压的转换,则可外接由运放构成的比例放大器，如点划线框外电路所示.

ＤAC080０系列电路电源电压V+可在+5～＋18范围内变化，V—通常取-1５V,可在-5～—１8V范围内变化。

ＤＡC0８00系列电路内部采用的高速电流开关由三极管组成，构成电流开关的三极管工作时不进入饱和区,是一种非饱和的双极型电流开关,属ELC电路（EＬC电路是一种非饱和型双极型逻辑电路,由于三极管不进入饱和区，所以其工作速度很高，ELC电路的原理可查阅有关资料）．ＤAC0800的建立时间可短至1０0ns以下。

ＤAC0８00系列采用非饱和型高速电路开关的目的是为了提高ＤAC电路的转换速度，显然，它比ＣMOＳ开关DAＣ的速度高的多．

图7－5DAＣ0800原理框图

7。

３．３D／A转换器的主要参数

１．分辨率

分辨率是说明分辨最小电压的能力，是指DAＣ的最小输出电压（对应于输入数字只有最低有效位为1）与最大输出电压（对应于输入数字量所有有效位全为１）之比。

对于n位ＤAC，其分辨率为1／（

）。

例如对于一个10位的DAC,其分辨率为：

（7—12）

能够分辨的最小电压为ＵOM/（

），如果输出模拟电压满量程为１0V,那么,10位DＡC能分辨的最小电压为：

（7-１3）

式中,LSＢ为最低有效位的缩写，ＶLSB指输入最低位数字所对应的输出电压。

很显然，位数越高,分辨率也越高，所以，有时也用位数来表示分辨率.

２。

转换精度

转换精度是指ＤAC全码输入时，输出模拟电压的实际值和理论值之差，即最大转换绝对误差,该值一般应低于

。

3．线性度

通常用非线性误差的大小表示Ｄ／A转换器的线性度。

并且,把偏离理想的输入—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。

4。

建立时间　

在输入数字量改变后，输出模拟量达到稳定值所需的时间称为DＡC的建立时间或稳定时间,也称转换时间。

它是反映D/Ａ转换器工作速度的指标。

转换时间越小，工作速度就越高。

除了以上参数外，在使用DＡC时,还必须知道工作电源电压、输出方式（电压输出型还是电流输出型等）、输出值范围、输入逻辑电平以及功耗、温度系数等，这些都可在手册中查到.

７。

3。

４集成D/Ａ转换举例

ＤＡC单片器件有很多产品.下面我们对DAC０８32芯片的转换原理，外引脚排列，功能，结构和使用作简单的介绍。

1.DAC０8３2芯片中的D/Ａ转换电路原理

DＡＣ083２芯片中的Ｄ/Ａ转换电路如图7—6所示,采用倒梯形电阻网络。

输入的8位数字信号D7~D0控制对应的Ｓ7~S0o1和Iｏ２，为电流输出型,芯片中以设置了反馈电阻RF，使用时将ＲＦ输出端接运算放大器的输出端即可。

运算放大器的闭环增益不够时仍可外接反馈电阻与片内的RF串联。

转换电路工作原理和AＤ７5２０相同：

　　　　　　　　（７－１4）

（７－15）

图７—6　DＡC0８32与运放组成的D／A转换电路原理图

式中，D为二进制数的数值（０～25５），ＶＲEF为基准电压,R为电阻网络中内部电阻Ｒ的标称值，R=1５ｋΩ。

２。

电路结构及芯片引脚

DＡＣ08３2芯片的结构框图见图7-７所示，它的建立时间为1µS。

图7—7　DAC0832的结构框图

各引脚的名称和功能，DＡＣ0８３2有2０个管脚（引脚）,现将各管脚的名称与功能介绍如下。

D7~Ｄ0:

数字量输入端,D7为最高位，D０是最低位。

Io１:

模拟电流输出端,当ＤAＣ寄存器全为1时,Io1最大;全为0时，Ｉo1最小.

Iｏ2:

模拟电流输出端,一般接地。

Io2+Io１＝常数（该常数与ＶＲEF成正比）.

RF：

为外接运算放大器提供的反馈电阻引出端（可以不用）.

ＶREF:

基准电压接线端，其电压范围为-10～+10V。

ＶＣＣ：

电路电源电压接线端，其值为+５～+15．

DＧNＤ:

数字电路接地端.

AＧＮD：

模拟电路接地端,通常与数字电路接地端相连接。

图7—8　DAＣ0８３2芯片引脚排列图

：

片选输入端，低电平有效。

当

=１时（见图7－７所示，此时输入寄存器

=０）,输入寄存器处于锁存状态，故该片未被选中，这时不接收信号,输出保持不变；当

=０，且IＬE＝1，

=0时（即输入寄存器

＝1期间）输入寄存器才被打开,这时它的输出随输入数据的变化而变化，输入寄存器处于准备锁存新数据的状态。

IＬE:

输入允许信号端，高电平有效,即只有IＬE=1时，输入寄存器才打开。

它与

、

共同控制来选通输入寄存器。

:

数据输入选通信号（或称写输入信号）端，低电平有效。

在

＝0和ＩLE=1即它们均为有效的条件下,

由０变1的上升沿到来时，才将数据总线上的当前数据写入输入寄存器.

：

数据传送控制信号端，低电平有效,用来控制

选通DＡC寄存器。

当

=０时，

=０期间,ＤAＣ寄存器才处于接收信号、准备锁存状态，这时，DAＣ寄存器的输出随输入变化。

有效时，在

由0变1时,将输入寄存器的当前的数据写入ＤAC寄存器。

3.使用方法

它正在输出模拟量时（对应与某一数字信息），便可以采集下一个输入数据。

在多片ＤAC０８３2同时工作的情况下,输入信号可以分时、按顺序输入，但输出却可以同时的。

当ILＥ有效和

有效