模数转换器基本原理及常见结构

合集下载
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
FSR FSR ∴n ≥ log2 + 1 = 3.32 lg + 1 分辨率 分辨率
Vo = −IR = − VR 2
n
VR I = Ii Di = R i =0

n−1

i =0
n−1
Di 2i −n
D
优点: 优点:开关切换时 无电位变化, 无电位变化,可提高 切换速率。 切换速率。
§ 8.2.2 DAC的主要参数 的主要参数 ①满量程(FS):单极性 满量程 :单极性DAC输入全“1” 输入全 时输出的模拟值。 时输出的模拟值。 满量程范围(FSR): DAC输出模拟量 ② 满量程范围 : 输出模拟量 最小值到最大值的范围。单极性FSR=FS。 最小值到最大值的范围。单极性 。 最高有效位(MSB)、最低有效位 ③ 最高有效位 、最低有效位(LSB) 具有最高(最低) 具有最高(最低)权重数位或其为“1”而 而 对应输出的模拟值。 其余位全“0” 时,对应输出的模拟值。 LSB MSB Dn-1 Dn-2 …... D1 D0 VFSR 2n
模拟、 模拟、数字控制系统对比
传感器 工业现场 信号调理 执行设备 信号处理 功率放大
模拟控制系统
传感器 工业现场
信号调理 执行设备
A/D 功率放大
微处理器 D/A
数字控制系统
模拟控制系统 适应性 可控性 控制精度 后处理 信号处理复杂
数字控制系统 适应性强
不易改变控制 易改变控制参 数和模型 参数 低 高 数据记录、 数据记录、 数据记录、处 数据记录、处 理很不方便 理方便
2、转换误差 零点(失调) a) 零点(失调)误差 输入数字量D 输出模拟量A不为零。 输入数字量D为0,输出模拟量A不为零。
零点(失调) b)零点(失调)温度系数 单位温度变化时,DAC输出零点产生的漂 单位温度变化时,DAC输出零点产生的漂 移量。 移量。
OUT 4 3 2 1 漂移 O Din
例题: 数字位n=12,FSR=10V。试 例题:某DAC数字位 数字位 , 。 用四种误差表示其最低位产生的误差。 用四种误差表示其最低位产生的误差。 12个数字位能表示的十进制数: 12 = 4096 个数字位能表示的十进制数: 个数字位能表示的十进制数 2 10V = 2.44(mV ) 最低位表示的模拟值为: 最低位表示的模拟值为: 4096 则最低位产生的误差如下: 则最低位产生的误差如下: ±1LSB;±0.0244%FSR;±244ppm; ; ; ; ±2.44mV。 。
I∑
Di=0 接+
当Dn-1=“1”
VR 1 VR In−1 = = 1 2R 2 R
当Dn-2=“1” 其余全为0时 其余全为 时
VR 1 VR In−2 = = 2 4R 2 R
当Di=“1”
1 VR Ii = n−i R 2
对任意数字量, 对任意数字量, 由叠加原理, 由叠加原理,得流入 -端的总电流: 端的总电流: 端的总电流
消除突跳: 消除突跳:在DAC输 输 出与负载间插入S/H(将 出与负载间插入 ( 降低系统速度)。 降低系统速度)。
典型DAC芯片介绍 四、典型 芯片介绍
&
8位并行 位并行CMOS DAC。功耗低(约20mW)、 位并行 。功耗低( )、 非线性误差小(< (<1/8LSB);数据锁存器。 );数据锁存器 非线性误差小(< );数据锁存器。 写入锁存器; 当CS=WR=0时,输入数据写入锁存器;电源 时 输入数据写入锁存器 VDD=+5V~+15V。模拟输出 o=0~10V。 。模拟输出V 。
§8.4.1 DAC的应用知识 的应用知识 一、DAC芯片的选择 芯片的选择 原则:综合考虑性能、成本、 原则:综合考虑性能、成本、供货周期三 个因素。 个因素。 1、给定分辨率确定 、给定分辨率确定DAC位数 位数 的满量程范围为FSR,位数为 , 设DAC的满量程范围为 的满量程范围为 ,位数为n, 则其分辨率为FSR/2n。 则其分辨率为
一个满量程电压为10V 10V的 DAC, [例8.1.2] 一个满量程电压为10V的8位DAC,其 分辨率是多少? 分辨率是多少? 分辨率为8 解:分辨率为8位,也可表示为
1 −3 = 3.92 ×10 8 2 −1
±LSB/2
⑵ 稳定时间ts 输入数据变化时,输出模拟量变化到新值 输入数据变化时,输出模拟量变化到新值 规定误差( 范围的时间。 规定误差(±LSB/2)范围的时间。
(3) 动态误差(突跳) ) 动态误差(突跳) DAC输出端两个稳态值过渡期间出现的 输出端两个稳态值过渡期间出现的 较大幅度窄脉冲,称为突跳(错误输出)。 较大幅度窄脉冲,称为突跳(错误输出)。
Vout 突跳 Din S/H
DAC
out RL
原因: 原因:内部 模拟开关切换 时间不同步。 时间不同步。
若输入数据单调增加1LSB时 若输入数据单调增加1LSB时,输出电压或电 1LSB 减小, DAC的特性具有非单调性。 流反而减小 则该DAC的特性具有非单调性 流反而减小,则该DAC的特性具有非单调性。 DAC的非单调性是由于各位误差的累积超过了 DAC的非单调性是由于各位误差的累积超过了 1LSB造成的 1LSB造成的 。
• • •
十进 制数
A = PD
D1 D0
A = PD = P D0 20 + D1 21 + ... + Dn-2 2n-2 + Dn-1 2n-1 = P
决定系 数电路 数位开关 “1” 或 “0” 数字位 权重电路
(
) ∑D 2
n−1 i =0 i
i
相加电路
几种DAC的工作原理 §8.2.1 几种 的工作原理 一、Kelvin分压器 分压器 称为电阻串联型 称为电阻串联型 DAC,由2n个等值电 , 阻器组成。 阻器组成。
VREF VA = n 2 Di × 2i ∑
i =0 n−1
ADI:AD5326(4通道, : 通道, ( 通道 12位电阻串型 位电阻串型DAC); 位电阻串型 ); TI:DAC8534(4通道, 通道, : ( 通道 16位电阻串型 位电阻串型DAC)。 位电阻串型 )。
二进制加权型DAC 二、二进制加权型
数位 开关
I∑
23 R
22 R I0
I1
21 R
I2
20 R
I3
反相 加法器 基准 电压
权阻 电路
VREF VREF 3 IΣ = I0 + I1 + I2 + I3 = 3 D0 20 + D1 21 + D2 22 + D3 23 = 3 ∑Di 2i 2R 2 R i =0 VREF n−1 VREF RF n−1 ∴IΣ = n−1 ∑Di 2i Vo = −IΣ RF = − n−1 ∑Di 2i 2 R i =0 2 R i =0
2LSB
a
O
不具有单调性。 不具有单调性。
Din
图8.1.11 DAC的微分线性误差 的微分线性误差
3、DAC的其它主要参数 、 的其它主要参数 ⑴ 分辨率 DAC的FSR被2n分割所对应的模拟值。 的 被 分割所对应的模拟值。
FSR 分辨率: 分辨率: = n ∆ 2
注意: 自动控制系统中使用的DAC必须具 注意:在自动控制系统中使用的DAC必须具 中使用的DAC 有单调性,否则可能使系统在DAC DAC的非单调区间 有单调性,否则可能使系统在DAC的非单调区间 内来回摆动,形成振荡 不能稳定工作。 振荡, 内来回摆动,形成振荡,不能稳定工作。
OUT 4 3 2 1 漂移 O Din
DAC的零点和增益温度漂移 图8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移
e)积分非线性 实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。 实际输出与理想输出特性曲线之间的差值。
f)微分线性误差 任意两个相邻输入数据所对应的输出差值与 1LSB之差 称为该点的微分线性误差(DLE) 之差, (DLE)。 1LSB之差,称为该点的微分线性误差(DLE)。 • 积分非线性反映的是实际输出特性的整体线 积分非线性反映的是实际输出特性的整体线 性度,即与理想输出特性的偏离程度; 性度,即与理想输出特性的偏离程度; • 微分线性误差反映了线性误差在整个输出特 性中的分布 分布。 性中的分布。
DAC的零点和增益温度漂移 图8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移
c)增益误差 实际输出特性曲线斜率与理想输出特性曲 线斜率之比:A 线斜率之比:A实际/A理想。
d)增益温度系数 指单位温度变化时,DAC输出特性曲线斜 指单位温度变化时,DAC输出特性曲线斜 率的漂移量。用满量程的10 表示。 率的漂移量。用满量程的10-6/℃ 表示。
下图中, 下图中,a、b两点的微分线性误差为: 两点的微分线性误差为:
AOUT
4LSB
b
2LSB
c
aHale Waihona Puke Baidu
O
图8.1.11 DAC的微分线性误差 的微分线性误差
Din
1 1 DLE = 3 LSB − 1 LSB − LSB = 1LSB 2 2
g) 微分线性误差温度系数 单位温度变化所引起的DAC微分线性误差的 单位温度变化所引起的DAC微分线性误差的 DAC 变化量称为微分线性误差温度系数。 变化量称为微分线性误差温度系数。 该参数可用于估算在工作温度范围内, 该参数可用于估算在工作温度范围内,DAC 能否保持单调性。 能否保持单调性。 h) 单调性 DAC的单调性是指当输入数据单调增加时, DAC的单调性是指当输入数据单调增加时,输 的单调性是指当输入数据单调增加时 出电压或电流增加或不变。 出电压或电流增加或不变。
1 如果各点的线性误差均介于± LSB 之间或 2
微分线性误差介于 之间, DAC的输出 微分线性误差介于± LSB 之间,则DAC的输出 具有单调性。 具有单调性。
两点的微分线性误差为: 例: b、c两点的微分线性误差为
AOUT
4LSB
b c
1 DLE = 3LSB − 3 LSB 2 1 − LSB = -1 LSB 2
(
)
权电阻网络优点:结构简单;缺点: 权电阻网络优点:结构简单;缺点:阻 值相差较大, 值相差较大,集成时难保证电阻精度 。 4位的权电流网络DAC电路 位的权电流网络 电路
I∑
权电阻网络优点:结构简单;缺点: 权电阻网络优点:结构简单;缺点:阻 值相差较大, 值相差较大,集成时难保证电阻精度数位开关 。 梯形R-2R网络 网络DAC Di=1 接三、倒梯形 网络
随着电子技术发展, 随着电子技术发展,ADC、DAC作为数 、 作为数 字电路与模拟电路联系的桥梁, 字电路与模拟电路联系的桥梁,其应用非常 广泛。下图为数字控制系统的典型框图。 广泛。下图为数字控制系统的典型框图。
数模转换器DAC §8.2 数模转换器
Dn-1 Dn- 2
P(转换系数) (转换系数)
DAC的主要参数 的主要参数 1、静态参数(误差参数) 静态参数(误差参数) DAC稳态工作时,输出实际值(V,I) 稳态工作时, 稳态工作时 输出实际值( , ) 偏离理想值大小程度。 误差表示方法: 偏离理想值大小程度。 误差表示方法: 单位表示( ① 1LSB单位表示(如±1LSB、±LSB/2) 单位表示 、 ) 的百分之一)。 表示( 的百分之一 ② 以%FSR表示(即FSR的百分之一)。 表示 ③ 以ppm表示 表示 的百万分之一为单位表示。 即FSR的百万分之一为单位表示。 的百万分之一为单位表示 以输出的实际误差表示( ④ 以输出的实际误差表示(mV、µV等) 等
第8章 数模和模数转换器 章 本次课内容 1、数模和模数转换器基本概念; 、数模和模数转换器基本概念; 2、DAC的转换原理; 的转换原理; 、 的转换原理 3、DAC基本术语、主要性能参数; 基本术语、 、 基本术语 主要性能参数; 4、数模转换器的基本应用。 、数模转换器的基本应用。
§8.1 概述 模拟信号(Analog Signal):时间和幅度 模拟信号 : 均连续变化的信号。 均连续变化的信号。 数字信号(Digital Signal):时间和幅度 数字信号 : 离散且按一定方式编码后的脉冲信号。 离散且按一定方式编码后的脉冲信号。 模数转换器: 模数转换器:完成模拟到数字信号转换 的器件。简写为ADC或A/D。 的器件。简写为 或 。 数模转换器: 数模转换器:完成数字到模拟信号转换 的器件。简写为DAC或D/A。 的器件。简写为 或
相关文档
最新文档