第 8 章－第 1 講 數(shù)模轉(zhuǎn)換

補充：第一次課數(shù)/模轉(zhuǎn)換（DAC）計算機通常只能對二進(jìn)制的信息流進(jìn)行運算與存儲，而當(dāng)計算機應(yīng)用于現(xiàn)實環(huán)境中時，所需處理的信息一般為非二進(jìn)制的模擬信息：時間和幅值上連續(xù)變化，如來自或送到檢測或控制現(xiàn)場的電壓、電流、角度、速度、加速度、位移、壓力、溫度等模擬量。計算機要能識別和實現(xiàn)這些模擬量，就必須在現(xiàn)場環(huán)境與計算機之間存在一種“模擬量”到“數(shù)字量(二進(jìn)制或其它進(jìn)制)”到“模擬量”的轉(zhuǎn)換機制，通過這種機制首先將“模擬量”轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別和處理的“數(shù)字量”，這種“數(shù)字量”經(jīng)過計算機加工處理后，再將輸出的“數(shù)字量”轉(zhuǎn)換成“模擬量”，經(jīng)過驅(qū)動、放大、隔離等措施之后反饋到各種現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行控制。微型計算機輸入/輸出應(yīng)用接口傳感器低噪聲放大濾波采樣模/數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)緩沖CPU數(shù)據(jù)緩沖數(shù)/模轉(zhuǎn)換隔離放大/驅(qū)動執(zhí)行部件現(xiàn)場現(xiàn)場前向通道后向通道基本概念將“模擬量”轉(zhuǎn)換成“數(shù)字量”的過程稱為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(簡稱模/數(shù)轉(zhuǎn)換)，完成這種轉(zhuǎn)換的器件稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC；

將“數(shù)字量”轉(zhuǎn)換成“模擬量”的過程稱為數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換(簡稱數(shù)/模轉(zhuǎn)換)，完成這種轉(zhuǎn)換的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC是一種把二進(jìn)制數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬量信號(電壓或電流)的電路。

DAC電路按轉(zhuǎn)換原理的不同，可分為:

權(quán)電阻DAC;T型電阻DAC;

倒T型電阻DAC;

變形權(quán)電阻DAC;

電容型DAC;

權(quán)電流DAC。數(shù)/模轉(zhuǎn)換工作原理各種DAC電路在結(jié)構(gòu)上一般都由基準(zhǔn)電源、解碼網(wǎng)絡(luò)、運算放大器和緩沖寄存器等部件組成。不同DAC的差別主要表現(xiàn)在采用不同的解碼網(wǎng)絡(luò)，其名稱正是得于各自不同的解碼網(wǎng)絡(luò)形式特征。

T型和倒T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)的DAC，使用的電阻阻值種類只有R和2R兩種。數(shù)/模轉(zhuǎn)換工作原理數(shù)/模轉(zhuǎn)換-T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)DAC0000RRR2RAVRf=3RVRVO1111D0D1D2D3S0S1S2S32R

2R

2R

2R2RMSBLSB輸入數(shù)字量－＋I(xiàn)O∑DCBAT型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)DAC(經(jīng)1次二等分到輸出支路)(經(jīng)2次二等分到輸出支路)(經(jīng)3次二等分到輸出支路)(經(jīng)4次二等分到輸出支路)T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)DACIO＝IO3＋I(xiàn)O2＋I(xiàn)O1＋I(xiàn)O0T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)DAC這兩個式子表明：輸出電流IO和輸出電壓VO都與輸入二進(jìn)制數(shù)Dn-1Dn-2…D0的大小成正比，可見實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。1．轉(zhuǎn)換精度(Accuracy)2．轉(zhuǎn)換速度(Speed)3．分辨率(Resolution)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器基本參數(shù)

1．轉(zhuǎn)換精度(Accuracy)DAC的轉(zhuǎn)換精度用于表明D/A轉(zhuǎn)換的精確程度。一般用誤差大小表示。在DAC參考手冊中，精度特性常以滿刻度電壓(滿量程電壓)VFS的百分比或以最低有效位LSB的分?jǐn)?shù)形式給出，有時也用二進(jìn)制位數(shù)的形式給出。精度為±0.1％指的是，最大誤差為VFS的±0.1％。如VFS為5V時，則最大誤差為±5mV。

n位DAC的精度為±1/2LSB，指的是：最大誤差為±1/2×1/2nVFS=±1/2n+1VFS。精度為n位指的是，最大誤差為±1/2nVFS。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器基本參數(shù)

2．轉(zhuǎn)換速度(Speed)DAC的轉(zhuǎn)換速度主要是建立時間(SettingTime)。它通常定義為：輸入數(shù)字量為滿刻度值(各位全1)時，從輸入加上到輸出模擬量達(dá)到滿刻度值或滿刻度值的某一百分比(如99％)所需要的時間。當(dāng)輸出的模擬量為電流時，這個時間很短；如果輸出的是電壓，則它主要是輸出運算放大器所需要的響應(yīng)時間。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器基本參數(shù)

3．分辨率(Resolution)

分辨率表示DAC對微小模擬信號的分辨能力。分辨率為數(shù)字輸入量的最低有效位(LSB)所對應(yīng)的模擬值。它確定著能由DAC產(chǎn)生的最小模擬量變化。分辨率通常用二進(jìn)制位數(shù)表示，對于一個n位的DAC，其分辨率為滿量程輸出電壓的1/2n。精度和分辨率是兩個根本不同的概念。精度取決于構(gòu)成轉(zhuǎn)換器的各個部件的誤差和穩(wěn)定性，而分辨率則取決于轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。數(shù)/模轉(zhuǎn)換器基本參數(shù)

數(shù)/模轉(zhuǎn)換典型芯片及其應(yīng)用

串行數(shù)據(jù)接口并行數(shù)據(jù)接口電壓輸出

VO電流輸出

IO電壓輸出

VO電流輸出

IO8位MAX500－MAX505DAC0832，MAX548010位MAX5158－MAX503MX7520/3012位MAX5154/6MAX514MAX526/7DAC1210，MAX764513MAX5150－MAX547－14位MAX544/5－－MX7534/5/6/816位MAX541/2－－－典型器件DAC0832－內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(MSB)DI7DI6DI5DI4DI3DI2DI1(LSB)DI0131415164567DDDDDDDDQQQQQQQQDDDDDDDDQQQQQQQQ8位輸入寄存器8位DAC寄存器8位D/A轉(zhuǎn)換器LE1#LE2#ILECS#WR1#WR2#XFER#19121817VOREFIOUT2IOUT1R1bAGND8121193VCCDGND2010RfbDI7～DI0：數(shù)字量輸入端?？芍苯优cCPU的數(shù)據(jù)總線相連。IO1，IO2：模擬電流輸出端1和2，IO1＋I(xiàn)O2＝常數(shù)。CS＃：片選端，低電平有效。ILE：允許輸入鎖存。WR1＃，WR2＃：寫信號1和2，低電平有效。XFER＃：傳送控制信號，低電平有效。Rfb：反饋電阻接出端，芯片內(nèi)部此端和IO1端之間已有一電阻Rfb，其值為15kΩ。VR：參考電壓，＋10V～－10V，此電壓越穩(wěn)定模擬輸出精度越高。VCC：電源電壓，＋5V～＋15V。AGND：模擬地。DGND：數(shù)字地。典型器件DAC0832－引腳說明

8位輸入寄存器的鎖存使能端LE1＃由與門1進(jìn)行控制。當(dāng)CS＃、WR1＃為有效低電平，ILE為高電平時，輸入寄存器的輸出Q跟隨輸入D。這三個控制信號任一個無效，例如WR1＃由低變高，則LE1＃變低，輸入數(shù)據(jù)立刻被鎖存。

8位DAC寄存器的鎖存使能端LE2＃由與門3進(jìn)行控制。當(dāng)XFER＃和WR2＃為有效低電平，DAC寄存器的輸出Q跟隨輸入D。此后若XFER＃和WR2＃中任一個無效，輸入數(shù)據(jù)立刻被鎖存。

8位DAC對DAC寄存器的輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出與數(shù)字量成一定比例的模擬量電流。當(dāng)Vcc、VR在允許范圍內(nèi)(但VR幅值不應(yīng)低于5V)設(shè)定后。典型器件DAC0832－使用說明典型器件DAC0832－典型應(yīng)用1112－＋8310209DBVCCVRVOIO1IO2DAC08321112－＋8310209DBVCCVRRIO1IO2DAC0832－＋VOV’O2R2RAA1A2VR＝＋5V時數(shù)字輸入與模擬電壓輸出的對應(yīng)關(guān)系

數(shù)字量

NMSBLSB模擬量(VR