數(shù)／模轉(zhuǎn)換器.PPT.ppt

1、,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,第7章 數(shù)/模轉(zhuǎn)換器,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,7.5 D/A轉(zhuǎn)換器接口的隔離,7.6 D/A轉(zhuǎn)換器與微機的接口,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器：一種將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量的器件，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。,作用：是數(shù)字控制系統(tǒng)中的關鍵器件，用來把微處理器輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流等模擬信號，并送入執(zhí)行機構進行控制和調(diào)節(jié)。,D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,要將數(shù)字量D轉(zhuǎn)換為模擬量A，需要一個模擬參考量R ，使得A = DR。若maxA=R，則0D1，即數(shù)字量D是一個不大于1的n進制數(shù)。

2、自然，這里的D是二進制數(shù)：,D = a121 + a222 + + an2n , ai(0, 1),7.1 D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成,D/A轉(zhuǎn)換的基本原理,注意，A雖是模擬量，但并不能取任意值，而只能根據(jù)輸入量D得到某些特定值.。,LSB,D/A轉(zhuǎn)換特性,MSB,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成,D/A轉(zhuǎn)換器的分類：,并行D/A轉(zhuǎn)換器：轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與輸入數(shù)碼的位數(shù)相同，對應數(shù)碼的每一位都有輸入端。 串行D/A轉(zhuǎn)換器：只有一個輸入端，數(shù)碼一位一位依次串行輸入。,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成,并行D/A轉(zhuǎn)換器,電阻網(wǎng)絡將基準電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娏骰螂妷?，在運算放大器輸入端進行總加。,其中，ai是

3、1還是0取決于輸入數(shù)字量第i位上的邏輯。,并行D/A轉(zhuǎn)換器的特點：轉(zhuǎn)換速度很快，只要在輸入端加入數(shù)字信號，輸出端立即有相應的模擬電壓輸出。,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成,D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成,電阻網(wǎng)絡,基準電源,轉(zhuǎn)換器的精度直接與電阻的精度有關。 在某些D/A轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡中，轉(zhuǎn)換精度只決定于電阻的比值，與電阻的絕對值關系不大。,基準電源的精度直接影響D/A轉(zhuǎn)換器的精度。 如果要求D/A轉(zhuǎn)換器的精確到滿量程的0.05%，則基準電源精度至少要滿足 0.01%的要求。 基準電源要求噪聲低、紋波小、內(nèi)阻低。有時還要求有一定的負載能力。,7.1 D/A轉(zhuǎn)換器的分類和組成,D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成,模擬切

4、換開關,運算放大器,要求斷開時電阻無限大，導通時電阻非常小，即要求很高的電阻斷通比值。 力求減小開關的飽和壓降、泄漏電流以及導通電阻對網(wǎng)絡輸出電壓的影響。,運算放大器的作用：一個是對網(wǎng)絡中各支路電流進行求和；另一個是為D/A轉(zhuǎn)換器提供一個阻抗低、負載能力強的輸出。 如果要求D/A轉(zhuǎn)換器精確到滿量程的0.05%， 則要求運放本身的電壓輸出至少穩(wěn)定在滿量程的 0.01%以內(nèi)。,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,1. 分辨率,分辨率：最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。,D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率與位數(shù)有關。位數(shù)越多，分辨率就越高。,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,2. 精度,絕對精度：輸入滿量程數(shù)字量

5、時，D/A轉(zhuǎn)換器實際輸出值與理論輸出值之差。 相對精度：絕對精度與額定滿量程輸出值的比值。,絕對精度一般應小于LSB/2。,相對精度表示方法：,用偏差多少LSB來表示； 用該偏差相對滿量程的百分數(shù)來表示。,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,3. 線性誤差,線性誤差：D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性之間的最大偏差。,理想轉(zhuǎn)換特性是在零點及滿量程校準以后建立的。,通常要求線性誤差小于LSB/2。 線性誤差是溫度的函數(shù)。,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,4. 建立時間,建立時間：D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)碼滿量程變化時，其輸出模擬量穩(wěn)定到最終值LSB/2范圍所需的時間。,建立時間反映D/A轉(zhuǎn)換從

6、一個穩(wěn)態(tài)值向另一個穩(wěn)態(tài)值過渡的時間長短。 根據(jù)建立時間，可以計算出D/A轉(zhuǎn)換器每秒最大的轉(zhuǎn)換次數(shù)。,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,4. 建立時間,建立時間：D/A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)碼滿量程變化時，其輸出模擬量穩(wěn)定到最終值LSB/2范圍所需的時間。,建立時間的長短取決于所采用的電路和使用的元件。不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器，其建立時間一般從幾十納秒至幾微秒。 輸出形式若是電流，建立時間很短，輸出形式若是電壓，建立時間主要取決于運算放大器的響應時間。,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,5. 單調(diào)性,單調(diào)性：D/A當輸入數(shù)碼增加時，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬量也增加或至少保持不變。,6. 溫度系數(shù),溫度系

7、數(shù)：D/A在滿量程輸出條件下，溫度每升高1，輸出變化的百分數(shù)。,由于溫度的變化，而引起的增益、線性度、零點及偏移等參數(shù)的變化量分別稱為增益溫度系數(shù)、線性度溫度系數(shù)、零點溫度系數(shù)、偏移溫度系數(shù)。,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,7. 電源抑制比,電源抑制比：滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比。,8. 輸出電平,不同型號的D/A轉(zhuǎn)換器輸出電平相差較大，一般為5V10V，有的高達24V30V。還有電流輸出型的D/A轉(zhuǎn)換器，輸出低的為幾mA幾十mA，高的可達3A。,9. 輸入代碼,有二進制、BCD碼、偏移二進制碼、二進制補碼等。,7.2 D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標,10. 輸入數(shù)字電

8、平,輸入數(shù)字電平：輸入數(shù)碼分別為“1”和“0”時，所對應的輸入高低電平的數(shù)碼數(shù)值。,例如，AD7541的輸入數(shù)字電平：UIH2.4V，UIL0.8V,11. 工作溫度,由于工作溫度會對運算放大器和加權電阻網(wǎng)絡等產(chǎn)生影響，所以只有在一定的溫度范圍內(nèi)，才能保證額定精度指標。,較好的轉(zhuǎn)換器工作溫度范圍在-4085之間，較差的轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在070之間。,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,1. 權電阻D/A轉(zhuǎn)換器,先把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應的模擬電流量，然后再把模擬電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓輸出。,模擬電子開關受二進制數(shù)字量各位狀態(tài)的控制，當相應的二進制位為“0”時，開關接地；為“1”時，開關接基準電壓UREF

9、。 權電阻的電阻值與對應位的權成反比。位權越大電阻值越小，開關接通基準電壓時，通過電阻的電流就越大，以保證一定權的數(shù)字信號產(chǎn)生相應的模擬電流。,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,1. 權電阻D/A轉(zhuǎn)換器,相應支路的電流：,總的電流：,輸出電壓：令 RF = R/2n,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,1. 權電阻D/A轉(zhuǎn)換器,當輸入數(shù)碼D=0時， UO=0 當輸入數(shù)碼D=1111時， UO=-(2n-1)UREF/2n,缺陷：權電阻網(wǎng)絡中各個電阻的阻值相差太大，而為了保證輸出電壓的精度，又要求電阻值很精確，這給制造芯片帶來困難。,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,2. T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器,T型電阻網(wǎng)絡是由相同的電路

10、環(huán)節(jié)所組成，每一環(huán)節(jié)有兩個電阻和一個模擬電子開關，相當于二進制的一位，開關由該位的數(shù)字代碼控制。,開關在運算放大器電流求和點虛地與地之間進行切換，切換時開關端點的電壓幾乎沒有變化。各支路2R電阻下端電位始終是地電位。,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,2. T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器,以III，II，I為界面向右看的等效電阻阻值均為R。,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,2. T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器,UREF,RF,UO,+,_,A,K0,2R,K1,R,K2,K3,2-1a1,2-2a2,2-3a3,2-4a4,2R,2R,2R,2R,R,R,當某位二進制數(shù)為“1”時，該支路電流流入放大器的虛地端，所以流入求和放大

11、器的總電流為：,RF=R,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,2. T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器,UREF,RF,UO,+,_,A,K0,2R,K1,R,K2,K3,2-1a1,2-2a2,2-3a3,2-4a4,2R,2R,2R,2R,R,R,對于n位的T型網(wǎng)絡，則輸出模擬電壓為：,輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量。,T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器的突出特點：,開關切換時開關端點的電壓幾乎沒有變化，從根本上消除尖峰脈沖的產(chǎn)生； 不論輸入數(shù)字量的各位是“0”還是“1”，對應支路電流的大小不變，進一步提高了轉(zhuǎn)換速度。是目前D/A轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種。,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,3. 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器,在實際應

12、用中，有些場合需要D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓是雙極性的。,輸入數(shù)碼是偏移二進制碼或補碼。,偏移二進制碼、補碼輸入時所要求的輸出電壓,偏移二進制碼與補碼只在符號位相反。,7.3 并行D/A轉(zhuǎn)換器,3. 具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器,K0,20R,K1,21R,K2,22R,K3,23R,2-1a1,2-2a2,2-3a3,2-4a4,UREF,R/2,UO,+,_,A,四位權電阻D/A轉(zhuǎn)換器工作原理,具有雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器,偏移電壓UF與電阻RF需滿足：,如果輸入是偏移二進制碼，則右邊電路即可實現(xiàn)雙極性輸出； 如果輸入是補碼，則只要將符號位a1經(jīng)過一級反相器再輸入即可?；蛘哂捎嬎銠C用程序取反。,

13、7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,D/A轉(zhuǎn)換器芯片的分類,按照轉(zhuǎn)換速度分：高、中、低 按照位數(shù)分：8位，10，12位，14位，16位， 按照輸入形式分：并行輸入、串行輸入 按照包含模塊的多少分：,只含電阻網(wǎng)絡和模擬開關； 包含電阻網(wǎng)絡、模擬開關和基準電源； 包含電阻網(wǎng)絡、模擬開關、基準電源和運算放大器。,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,特點：,8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片； 具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器，與微處理器完全兼容； 芯片內(nèi)有T型電阻網(wǎng)絡； 價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易 ； 電流穩(wěn)定時間1us，屬于中速； 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入； 只需在滿量程下調(diào)整其線性度； 單

14、一電源供電（+5V+15V）； 低功耗，20mW。,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832結構框圖,DAC0832中有兩級鎖存器，第一級鎖存器稱為輸入寄存器，它的鎖存信號為ILE； 第二級鎖存器稱為DAC寄存器，它的鎖存信號為傳輸控制信號XFER。 因為有兩級鎖存器，因此可以工作在雙緩沖器方式，即在輸出模擬信號的同時采集下一個數(shù)字量，這樣能有效地提高轉(zhuǎn)換速度。 此外，兩級鎖存器還可以在多個D/A轉(zhuǎn)換器同時工作時，利用第二級鎖存信號來實現(xiàn)多個轉(zhuǎn)換器同步輸出。,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832結構框圖,8位D/A轉(zhuǎn)換器主要由R，2R組成

15、的T型電阻網(wǎng)絡和模擬切換開關組成，并且芯片內(nèi)集成了一個求和反饋電阻R。 芯片的輸出是電流形式，需要外接一個運算放大器，將電流轉(zhuǎn)化為電壓：,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832結構框圖,VCC：芯片電源電壓, +5V+15V VREF：參考電壓, -10V+10V RFB：反饋電阻引出端, 此端可接運算放大器輸出端 AGND：模擬信號地 DGND：數(shù)字信號地 DI7 DI0：數(shù)字量輸入信號 ILE：輸入鎖存允許信號, 高電平有效 CS：片選信號, 低電平有效 WR1：寫信號1，低電平有效,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832結構框圖,X

16、FER：控制轉(zhuǎn)移信號, 低電平有效 WR2：寫信號2，低電平有效 IOUT1：模擬電流輸出端1 當輸入數(shù)字為全“1”時，輸出電流最大，約為： 全“0”時，輸出電流為0。 IOUT2：模擬電流輸出端2,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832的典型接線方式,ILE接邏輯“1”,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832的典型接線方式,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832的典型接線方式,雙極性輸出,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832的典型接線方式,程控放大器,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器

17、,1. DAC0832,DAC0832與微機的連接,1)單緩沖工作方式 一個寄存器工作于直通狀態(tài)， 另一個工作于受控鎖存器狀態(tài) 2)雙緩沖工作方式 兩個寄存器均工作于受控鎖存器狀態(tài)， 3)直通工作方式,在不要求多相D/A同時輸出時，可以采用單緩沖方式，此時只需一次寫操作，就開始轉(zhuǎn)換，可以提高D/A的數(shù)據(jù)吞吐量。,當要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832與微機的連接,1)單緩沖工作方式,輸入寄存器工作于受控狀態(tài) DAC寄存器工作于直通狀態(tài),7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832與微機的連接,1

18、)單緩沖工作方式,輸入寄存器工作于直通狀態(tài) DAC寄存器工作于受控狀態(tài),7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832與微機的連接,1)單緩沖工作方式,;轉(zhuǎn)換一個數(shù)據(jù)的程序段： MOV AL, data ;取數(shù)字量 MOV DX, port OUT DX, AL,code SEGMENT ASSUME CS:code start:MOV CX, 8000H ;波形個數(shù) MOV AL, 0 ;鋸齒谷值 next: MOV DX, port ;打開鎖存 OUT DX, AL CALL delay ;控制鋸齒波的周期 INC AL ;修改輸出值 CMP AL, 0CEH ;比較是

19、否到鋸齒峰值，0CEH對應4V JNZ next ;未到跳轉(zhuǎn) MOV AL, 0 ;重置鋸齒谷值 LOOP next ;輸出個數(shù)未到跳轉(zhuǎn) MOV AH, 4CH ;返回DOS INT 21H ;子程delay （略） code ENDS END start,例子：利用上頁連線圖，編程輸出一幅度為4V的鋸齒波。參考電壓為-5V。,實際輸出的波形圖,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832與微機的連接,2)雙緩沖工作方式,輸入寄存器工作于受控狀態(tài) DAC寄存器工作于受控狀態(tài),7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832與微機的連接,2)雙緩沖工作方式

20、,輸入寄存器工作于受控狀態(tài) DAC寄存器工作于受控狀態(tài),7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,1. DAC0832,DAC0832與微機的連接,2)雙緩沖工作方式,當要求多個模擬量同時輸出時，可采用雙重緩沖方式。,code SEGMENT ASSUME CS: code, DS:code datav1 DB 11h, 12h, 13h, 14h, 15h, 16h, 17h, 18h, 19h, 1Ah datav2 DB 21h, 22h, 23h, 24h, 25h, 26h, 27h, 28h, 29h, 2Ah start: MOV AX, code MOV DS, AX LEA SI, da

21、ta_v1 LEA BX, data_v2 MOV CX, 10 next:MOV AL, SI ;取V1的數(shù)據(jù) OUT port1, AL ;打開第一片0832第一級鎖存 MOV AL, BX ;取V2的數(shù)據(jù) OUT port2, AL ;打開第二片0832第一級鎖存 OUT port3, AL ;打開兩片0832的第二級鎖存 INC SI INC BX LOOP next MOV AH, 4CH INT 21H codeENDS ENDstart,例子：利用上頁的接線方式，將datav1和datav2處的兩組數(shù)據(jù)，一一對應轉(zhuǎn)換成模擬量同時輸出。,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,2. DAC1

22、210,特點：,12位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片； 具有三個獨立尋址的寄存器組成兩級緩沖器； 芯片內(nèi)有T型電阻網(wǎng)絡； 電流穩(wěn)定時間1us，屬于中速； 單一電源供電（+5V+15V）； 低功耗，20mW。,和DAC0832類似。,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,2. DAC1210,DAC1210的架構框圖,三個獨立尋址的寄存器組成兩級緩沖器。 第一級為8位輸入寄存器和4位輸入寄存器組成，可直接從8位或12位數(shù)據(jù)總線取數(shù)。 第二級為12位并行D/A寄存器。,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,2. DAC1210,DAC1210的架構框圖,LE1端由CS，WR1, BYTE1/BYTE2控制。 LE2端由CS，WR1 控制。 LE3端由WR2和XFER控制。 當BYTE1/BYTE2為高電平時，12位數(shù)據(jù)同時存入第一級的兩個輸入寄存器。反之，當該信號為低電平時，只將低4位數(shù)據(jù)存入4位輸入寄存器。,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,2. DAC1210,DAC1210的典型接線方式,與微機的16位總線連接,7.4 單片集成D/A轉(zhuǎn)換器,2. DAC1210,DAC1210的典型接線方式,與微機的8位總線連接,正確的操