本次课内容1、数模和模数转换器基本概念； 2、DAC的转换原理； 3、DAC基本术语、主要性能参数； 4、数模转换器的基本应用。第8章 数模和模数转换器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。模拟、数字控制系统对比传感器信号调理A/DD/A执行设备微处理器功率放大数字控制系统工业现场传感器信号调理信号处理功率放大执行设备模拟控制系统工业现场模拟控制系统数字控制系统适应性信号处理复杂适应性强可控性不易改变控制 参数易改变控制参 数和模型控制精度低高后处理数据记录、处 理很不方便数据记录、处 理方便随着电子技术发展，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。8.2 数模转换器DAC十进 制数P(转换系数)决定系 数电路数位开关“1” 或 “0”数字位 权重电路相加电路8.2.1 几种DAC的工作原理一、Kelvin分压器称为电阻串联型 DAC，由2n个等值电 阻器组成。 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权阻 电路数位 开关反相 加法器基准 电压4位的权电流网络DAC电路权电阻网络优点：结构简单；缺点：阻 值相差较大，集成时难保证电阻精度 。三、倒梯形R-2R网络DAC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 Di=1 接- Di=0 接+其余全为0时当Di=“1”当Dn-2=“1”当Dn-1=“1”对任意数字量， 由叠加原理，得流入 -端的总电流：优点：开关切换时 无电位变化，可提高 切换速率。满量程(FS)：单极性DAC输入全“1”时 输出的模拟值。 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。 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。Dn-1Dn-2.D1D0MSBLSB 8.2.2 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：DAC的主要参数 1LSB单位表示（如1LSB、LSB/2） 以%FSR表示（即FSR的百分之一）。 以ppm表示即FSR的百万分之一为单位表示。 以输出的实际误差表示（mV、V等）例题：某DAC数字位n=12，FSR=10V。试 用四种误差表示其最低位产生的误差。则最低位产生的误差如下：1LSB；0.0244%FSR；244ppm； 2.44mV。12个数字位能表示的十进制数：最低位表示的模拟值为：2、转换误差 a) 零点（失调）误差 b) 输入数字量D为0，输出模拟量A不为零 。b）零点(失调)温度系数 漂移43 21DinOUTO图8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移单位温度变化时，DAC输出零点产生的漂 移量。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实际/A理想。d）增益温度系数 漂移43 21DinOUTO图8.1.9 DAC的零点和增益温度漂移指单位温度变化时，DAC输出特性曲线斜 率的漂移量。用满量程的10-6/ 表示。 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。ODinAOUT2LSB4LSBabc图8.1.11 DAC的微分线性误差下图中，a、b两点的微分线性误差为: 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 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，DAC 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，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 。之间或如果各点的线性误差均介于 微分线性误差介于 之间，则DAC的输出 具有单调性。 例: b、c两点的微分线性误差为： 不具有单调性。 ODinAOUT2LSB4LSBb c图8.1.11 DAC的微分线性误差a3、DAC的其它主要参数 分辨率DAC的FSR被2n分割所对应的模拟值。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。 解：分辨率为8位，也可表示为例8.1.2 一个满量程电压为10V的8位DAC，其 分辨率是多少？ 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。LSB/2（3） 动态误差（突跳）DAC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）。 DinVout突跳原因：内部 模拟开关切换 时间不同步。消除突跳：在DAC输 出与负载间插入S/H（将 降低系统速度）。DACS/HoutRL四、典型DAC芯片介绍8位并行CMOS DAC。功耗低（约20mW）、 非线性误差小（1/8LSB）；数据锁存器。当CS=WR=0时，输入数据写入锁存器；电源 VDD=+5V+15V。模拟输出Vo=010V。 8.4.1 DAC的应用知识一、DAC芯片的选择原则：综合考虑性能、成本、供货周期三 个因素。1、给定分辨率确定DAC位数设DAC的满量程范围为FSR，位数为n， 则其分辨率为FSR/2n。 标称位数 8、10、12、16等例：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）解：可选 10位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。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双极性DAC输出电压0FS VR(1-2-n)FSR/2FSR/2 调整方法 先调零点 再调增益输入全0时，调 整Vo=0。输入全0时，调整 Vo=FSR/2 ；输入全1时，调 整Vo=FS。输入全1时，调整 Vo=FSR/2 。注意：具体芯片调整电路参考相关资料！图(a)：输入全0并调W1，使Vo=5.0000V； 再输入全1，调W2，使Vo= 4.9976V。图(b)：电路调整方法基本相同。 三、DAC的功能扩展1、单极性DAC扩展为双极性电压输出输入全0 Vo=0输入全1 Vo=VR(1-2-n)Dn-1=1，其余全0 Vo=VR/2单极性工作若使中间电压为零，即得双极性输出电压。双极性输出II=VR/2R 抵消中间值电流单极性tVo 0 -VR /2 双极性Vot0VR/2Dn-1=1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。2、DAC与微处理器的接口方法当DAC位数大于CPU数据总线宽度的接 口方法。例如：8位CPU与12位DAC接口。两次送数 一次转换8位CPU与12位有内缓冲DAC接口第一次送低8位；第二次送高4位同时完 成12位数据转换。优点：经济；不足：转换速率降低。8.4.2 几种DAC的应用电路一、程控增益放大器即用输入改变电 阻网络阻值(Rf)。二、程控信号源原理：按时间顺序将所存储波形的幅度值 数据送入DAC中，即可得模拟波形输出。MCU中单周波形数据写入FIFO启动 读信号RD从FIFO读出数据入DAC模拟 波形输出（用FIFO重传可输出连续信号）。 小 结1、模数联系的桥梁：ADC、DAC； 2、DAC原理（电阻网络+模拟开关）； 3、理解DAC主要性能参数（误差）； 4、DAC的基本应用选择、调整、扩展方法；了解典型应用 。 作业：8.2、8.3 思考题：8.1、8.4、8.5、8.14