數(shù)電理論課-p9.1D A轉(zhuǎn)換器

1、掌握倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器(DAC)、集成D/A轉(zhuǎn)換器的工作原理及相關(guān)計(jì)算。2、掌握并行比較、逐次比較、雙積分A/D轉(zhuǎn)換器(ADC)的工作原理及其特點(diǎn)。3、正確理解D/A、A/D轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)。教學(xué)基本要求概述模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為?！獢?shù)轉(zhuǎn)換，或稱為A/D（ og

to

Digital）把實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的電路稱為A/D轉(zhuǎn)換器（

ogDigital

Converter

，ADC）從數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為D/A（Digital

to

og）轉(zhuǎn)換把實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（Digitalog

Converter，

DAC）典型數(shù)字控制系統(tǒng)框圖9.1

D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換的基本原理倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式D/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用9.1

D/A轉(zhuǎn)換器1.概述1、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器:將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為與之成正比模擬量。碼，每位代碼都有一定的權(quán)值，如能將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后，將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量--模擬量的轉(zhuǎn)換。①實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的基本思想將二進(jìn)制數(shù)ND＝(11001)B轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)。ND＝b4×24＋b3×23＋b2×22＋b1×21＋b0×20＝1×24＋1×23＋0×22＋0×21＋1×20數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合而成的，對(duì)于9.1.1

D/A轉(zhuǎn)換的基本原理②D/A轉(zhuǎn)換器的組成:數(shù)碼寄存器n

位模擬開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)求和電路基準(zhǔn)電壓n

位數(shù)字量輸入模擬量DAC的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以并行輸入也可串行輸入用存放在數(shù)字寄存器中的數(shù)字量的各位數(shù)碼由輸入數(shù)字量控制產(chǎn)生權(quán)電流將權(quán)電流相加產(chǎn)生與輸入成正比的模擬電壓ifR

=RvOS0VREF–+S1S2S3+–基準(zhǔn)電壓電子開(kāi)關(guān)R

/2R

/4R

/8求和電路(LSB)2(MSB

D3

D D D1

0數(shù)字量輸入電阻網(wǎng)絡(luò)Ri0

i1I2i2i3A模擬量輸出③實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的原理電路vO

Rf

(

i3

i2

i1

i0

)Ri3

8VREFD3Ri2

R4VREFD21iR

2VREFD

1i0

VREF

D03ii

VD

2i

0v

V

(D

23

D

22

D

21

D

20

)O

REF

3

2

1

0REF，，,鎖存器④D/A轉(zhuǎn)換器的分類(lèi):按 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類(lèi)T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC權(quán)電流DAC權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC按模擬電子開(kāi)關(guān)電路分類(lèi)CMOS開(kāi)關(guān)型DAC雙極型開(kāi)關(guān)型DAC電流開(kāi)關(guān)型DACECL電流開(kāi)關(guān)型DACD/A轉(zhuǎn)換器9.1.2

倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器vORf+VREF2RS0S1S2S3i2R2R2R(LSB)

(MSB)D0

D1

D2

D38I16II4

2II2R–+RRRI/16I/8I/4I/2D

=1,S

接運(yùn)算放大器反相端，電流I

流入求和電路電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電子開(kāi)關(guān)輸出模擬電壓i根據(jù)i

運(yùn)放i線性運(yùn)用時(shí)2R虛地的概念可知，無(wú)論模擬開(kāi)關(guān)S

處于i

何種位i

置，與Si相連的2R電阻將接“i地”

或虛地。1、4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器求和運(yùn)算放大器輸入4位二進(jìn)制數(shù)基準(zhǔn)電壓D

=0,S?則電將阻電網(wǎng)阻絡(luò)

接地模擬電子開(kāi)關(guān)求和運(yùn)算放大器D/A轉(zhuǎn)換器的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)流過(guò)各開(kāi)關(guān)支路的電流：I3

=？I2

=？I1

=？I0

=？基準(zhǔn)電源VREF提供的總電流為：I=？2R2R2R2R2RRRRVREFIADA

BCDRI

VREFI/4I/8I/16R

R

RB

CRI/2I/4I/16

I/8I/2I3I2I1I0流入每個(gè)2R電阻的電流從I3=

VREF

/

2RI2=

VREF

/

4R到低位按2的整數(shù)倍遞減。I1=

VREF

/

8R I0=

VREF

/16

R流入運(yùn)放的總電流：

i

＝

I0

+

I1

+

I2+

I3)R1

2

324

23

22

21

V

(

D

D

D

DREF

0輸出模擬電壓：

i

0(

D

2

)RRn1iif2nREFO

V

3i

0(

D

2

)RR

V

iiREF24fO

f

i

R

D2(MSB)D3RfO(LSB)D0D1S0S2S32R2R2R

2R2RS1I8I16R

R

RI+VREFi–+I8I16I44位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的輸出模擬電壓：O

i

Rf3i

f

REFi24Ri0

R

V(D

2

)n

位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC有：ifOREF2nn1V

R

(Di

2

)R

i02nRK

VREF

Rf

,iiNB

(D

2

)n1i0令：則O

=

–

K

NB在電路中輸入的每一個(gè)二進(jìn)制數(shù)NB，均能得到與之成正比的模擬電壓輸出。D7OAD7533D/A轉(zhuǎn)換器D0

D1

D2RR

RRR–+RIOUT1IOUT2VREFAD7520RF10K2R2R2R2R2R2R2R10K20K使用:1)要外接運(yùn)放，2)運(yùn)放的反饋電阻可使用電阻，也可采用外接電阻）2.集成D/A轉(zhuǎn)換器10位CMOS電流開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器D8

D99iOiREF210fRV

R

(D

2

)

i0iOiREF2nfRn1V

R

(D

2

)

i0關(guān)于D/A轉(zhuǎn)換器精度的為提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，對(duì)電路參數(shù)的要求：基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性好；倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R電阻比值的精度要高；每個(gè)模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)電壓降要相等(3)為實(shí)現(xiàn)電流從 到低位按2的整數(shù)倍遞減，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻也相應(yīng)地按2的整數(shù)倍遞增。為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。Di

=1時(shí)，開(kāi)關(guān)Si接運(yùn)放的反相端;Di=0時(shí)，開(kāi)關(guān)Si接地。9.1.3

權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器(LSB)iROD0D1

D2

D3S0S1S2S3I8I16–VRE–+1. 4位權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器(MSB)在恒流源電路中，各支路權(quán)電流的大小均不受開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，這樣降低了對(duì)開(kāi)關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。2

4

8

16I3

2

1

0O

f

f

i

R

R

( D

I

D

I

D

I

D

)

I

R

(

D

23

D

22

D

21

D

20

)f

3

2

1

03i

0D

2i

R24

I

24if(LSB)D2D3(MSB)iRfOD0D1S0S1S2S3I8I16–VRE–+實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路13

2

1

024

RO

f

i

R

Rf

VREF

(D

23

D

22

D

21

D

20

)電壓恒定各BJT的發(fā)射結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電

生電路(MSB)D1D0(LSB)iRfOD3D2S3S2S1S0

I8

I4

I2VREF+–A1R1+–A2IECIEOIE1IE2IE3IREFTrT3T2T1T0TCR2R2R2R2R2RRRR–VEEI

=

IREF

=1RVREF偏置IBB

電流++-9.1.4

D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式8位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入/輸出關(guān)系MSB數(shù)字量LSB模擬量11111111

V

255

REF

256

…

V

129

REF

256

V

128

REF

256

V

127

REF

256

…

V

1

REF

256

V

0

REF

256

…100000011000000001111111…0000000100000000十進(jìn)制數(shù)2的補(bǔ)碼偏移二進(jìn)制碼模擬量D7D6D5D4D3D2D1D0D7D6D5D4D3D2D1D00/VLSB12701111111111111111271260111111011111110126???100000001100000011000000000100000000-11111111101111111-1???-1271000000100000001-127-1281000000000000000-128*表中VLSB=VREF/256256222REF28REFO

1

N

B

V

VREF)

VREF(

N

BVREF

1

VOVREF1R=RfR1R1+–+–A1A22R1NBD7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

D08位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A

轉(zhuǎn)換器i19.1.5

D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)給出。n位D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率可表示為12n

11、分辨率分辨率：其定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。n位DAC最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比2、轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度是指對(duì)給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：有如比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差等9.1.6

集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用(1)

數(shù)字式可編程增益控制電路D2D7OD0D12R2R2R2RRRRD8D9RRR

I2R2R2R-+RFIOUT1IOUT

2VREFD2D7OD0D1