模数转换器基本原理及常见结构

VREF VA n 2
i D 2 i i 0 n 1
ADI：AD5326（4通道， 12位电阻串型DAC）； TI：DAC8534（4通道， 16位电阻串型DAC）。
二、二进制加权型DAC
数位 开关
(LSB)
D0
D1
D2
(MSB)
Rf
D3 I
+
S0 S1
I1
Vo
反相 加法器
S2
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
信号调理
A/D
微处理器
工业现场
执行设备
功率放大
D/A
数字控制系统
模拟控制系统 适应性 信号处理复杂
数字控制系统 适应性强
可控性
控制精度 后处理
不易改变控制 易改变控制参 参数 数和模型 低 高
数据记录、处 数据记录、处 理很不方便 理方便
注意：在自动控制系统中使用的DAC必须具 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。
[例8.1.2] 一个满量程电压为10V的8位DAC，其 分辨率是多少？ 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 规定误差（±LSB/2）范围的时间。
DAC的主要参数 1、静态参数（误差参数） DAC稳态工作时，输出实际值（V，I） 偏离理想值大小程度。 误差表示方法： ① 1LSB单位表示（如±1LSB、±LSB/2） ② 以%FSR表示（即FSR的百分之一）。 ③ 以ppm表示 即FSR的百万分之一为单位表示。 ④ 以输出的实际误差表示（mV、μV等）
随着电子技术发展，ADC、DAC作为数 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。
传感器 非 电 模 拟 量 电 压 模 拟 量 执行单元
A A A A’ A’
S S S
ADC ADC ADC ADC ADC
数字控制 或
DAC DAC DAC
U U U U U
计算电路
3、DAC转换速度的选择 根据具体应用系统要求确定合适的转换 速度选择（满足指标要求即可）。
二、DAC的调整
单极性DAC 输出电压 0～FS [VR(1-2-n)] 双极性DAC －FSR/2～FSR/2
输入全0时，调 输入全0时，调整 调整方法 整V =0。 Vo=－FSR/2 ； o 先调零点 输入全1时，调 输入全1时，调整 再调增益 整Vo=FS。 Vo=FSR/2 。
AD567 20V BPL OFF 10V
100Ω W1
+VS 100kΩ -VS
100Ω
Vo 5V～ 5V
20pF
AD567 20V BPL OFF 10V
Vo 0～ 10V
20pF
100Ω W1
REF OUT I0 W2 100Ω REF IN
-A +
2.4kΩ
REF OUT W2 100Ω REF IN
VR

n1
i
I’
双极性输出 Vo 0 t Vo 抵消中间值电流 VR/2 t 双极性
1 VR 2 2 n
I’=VR/2R
-VR /2
单极性
VR 1 2
Dn-1=1
0

n

转换前后对比


AD7524在输入偏移二进制码时的双极 性工作原理图如下。
D Rf Rfb VREF AD7524 IOUT2 IOUT1 R
§8.1 概述 模拟信号(Analog Signal)：时间和幅度 均连续变化的信号。 数字信号(Digital Signal)：时间和幅度 离散且按一定方式编码后的脉冲信号。
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。 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。
8、10、12、16等
标称位数
例：某DAC的FSR=10V，要求分辨率不低于 10mV，试确定其位数。（理论分辨率≤实际分辨率）
10000 1 9.96 解： n 3.32 lg 10
≥10位
可选
2、DAC接口特性的选择 输入接口：数字量与逻辑电平匹配情况、编 码制式、输入方式（串/并）等。 输出接口：输出是电压（电流）；单（双） 极性；参考电压VR取自内（外）部等。
h) 单调性 DAC的单调性是指当输入数据单调增加时，输 出电压或电流增加或不变。
若输入数据单调增加1LSB时，输出电压或电 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1LSB造成的 。 如果各点的线性误差均介于 1 LSB 之间或 微分线性误差介于 LSB 之间，则DAC的输出 具有单调性。
2
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
2LSB
a
O
不具有单调性。
Din
图8.1.11 DAC的微分线性误差
3、DAC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。
FSR 分辨率： n 2
A1 +
R VOUT1 2R
21 R
I2
S3
20 R
I3
23 R
2 2 R I0
权阻 电路
V REF
基准 电压
3 VREF V i I I 0 I 1 I 2 I 3 3 D0 2 0 D1 2 1 D2 2 2 D3 2 3 REF D 2 i 3 2 R 2 R i 0 n 1 VREF n1 V R i F I n1 Di 2 i Vo I RF REF D 2 i n1 2 R i 0 2 R i 0
(微机或单片机)
DAC DAC
§8.2 数模转换器DAC
Dn-1 Dn- 2
P(转换系数)

十进 制数
数数数 数D 数
D1 D0
DAC
A PD 数 数 数 数A 数
A PD P D0 2 0 D1 2 1 ... Dn- 2 2 n- 2 Dn-1 2 n-1 P
其余全为0时
I n 2 VR 1 VR 2 4R 2 R
对任意数字量， 由叠加原理，得流入 -端的总电流：
Vo IR VR 2
n
VR I I i Di R i 0n 1
i 0
n 1
Di 2 i n
D
优点：开关切换时 无电位变化，可提高 切换速率。
§ 8.2.2 DAC的主要参数 ①满量程(FS)：单极性DAC输入全“1”时 输出的模拟值。 ② 满量程范围(FSR)： DAC输出模拟量 最小值到最大值的范围。单极性FSR=FS。 ③ 最高有效位(MSB)、最低有效位(LSB) 具有最高（最低）权重数位或其为“1”而 其余位全“0” 时，对应输出的模拟值。 LSB MSB Dn-1 Dn-2 …... D1 D0 VFSR 2 n
DAC数 数 数 AD7524
OUT1 1 OUT2 2 GND 3
16 R F 15 UREF 14 UDD 13 WR 12 CS 11 D 0 10 D 1 9 D2
UDD =+12V
4 5 14 15
D7 D6 5
4 8D 锁 存 器
6 7 8 9 10 D1 D 11
0
R-2R 倒 T 形 电 阻 网 络
I VR 2n R
n 1 i 0

Di 2 i
VR Vo n 2 单极性工作
输入全0 Dn-1=1，其余全0
i D 2 i i 0
n1
Vo=0
Vo=－VR/2
输入全1 Vo=－VR(1-2-n)
若使中间电压为零，即得双极性输出电压。
VR IR n Di 2 2R 2 R i 0


权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻 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
(LSB)
d0
d1
d2
(MSB)
d3 I
Rf
+
I/8 I/4 I/2 I
Vo
权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻 值相差较大，集成时难保证电阻精度数位开关 。 三、倒梯形R-2R网络DAC Di=1 接D1 D2
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
§8.2.1 几种DAC的工作原理
一、Kelvin分压器
VREF
R R R R R R R R 控制开关 模拟 信号 输出 3线-8线 译码器 3 位 数 据 输 入
称为电阻串联型 DAC，由2n个等值电 阻器组成。
d）增益温度系数
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10-6/℃ 表示。
OUT 4 3 2
1 漂移 O Din
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。
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)。 • 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; • 微分线性误差反映了线性误差在整个输出特 性中的分布。