數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計與實現(xiàn)2023/6/101第一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三6.1.1D/A轉(zhuǎn)換中的基本概念數(shù)字量：一類物理量的變化在時間上和數(shù)量上都是離散的。它們的變化在時間上是不連續(xù)的，總是發(fā)生在一系列離散的瞬間。同時，它們的數(shù)值大小和每次的增減變化都是某一個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，而小于這個最小數(shù)量單位的數(shù)值沒有任何物理意義。這一類物理量叫做數(shù)字量。從數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（簡稱D/A轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換的電路稱為D/A轉(zhuǎn)換器（簡稱DAC）。從模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（簡稱A/D轉(zhuǎn)換），實現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電路叫做A/D轉(zhuǎn)換器（簡稱ADC）；2023/6/102第二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三6.1.2D/A轉(zhuǎn)換電路在系統(tǒng)中的作用2023/6/103第三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

數(shù)/模轉(zhuǎn)換就是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與它成正比的模擬量。

6.2D/A轉(zhuǎn)換基本原理

數(shù)字量：(D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10(1101)2＝(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10

模擬量：uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10(K為比例系數(shù))2023/6/104第四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

圖6-1

n位D/A轉(zhuǎn)換器方框圖

組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想：將數(shù)字量按權(quán)展開相加，即得到與數(shù)字量成正比的模擬量。D/A轉(zhuǎn)換器的種類很多,主要有：權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、權(quán)電流DAC2023/6/105第五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三6.3DAC工作原理1.電路組成電路由解碼網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、求和放大器和基準(zhǔn)電源組成。

圖6-2倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC工作原理圖

基準(zhǔn)參考電壓雙向模擬開關(guān)D＝1時接運放D＝0時接地R－2R倒T形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)求和集成運算放大器2023/6/106第六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三2.工作原理

由于集成運算放大器的電流求和點Σ為虛地，所以每個2R電阻的上端都相當(dāng)于接地，從網(wǎng)絡(luò)的A、B、C點分別向右看的對地電阻都是2R。2023/6/107第七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

因此流過四個2R電阻的電流分別為I/2、I/4、I/8、I/16。電流是流入地，還是流入運算放大器，由輸入的數(shù)字量Di通過控制電子開關(guān)Si來決定。故流入運算放大器的總電流為：2023/6/108第八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

由于從UREF向網(wǎng)絡(luò)看進(jìn)去的等效電阻是R，因此從UREF流出的電流為：

2023/6/109第九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

故：2023/6/1010第十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

因此輸出電壓可表示為：2023/6/1011第十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

由此可見，輸出模擬電壓uO與輸入數(shù)字量D成正比，實現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換。

對于n位的倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，則：2023/6/1012第十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

電路特點：（1）解碼網(wǎng)絡(luò)僅有R和2R兩種規(guī)格的電阻，這對于集成工藝是相當(dāng)有利的；

（2）這種倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)各支路的電流是直接加到運算放大器的輸入端，它們之間不存在傳輸上的時間差，故該電路具有較高的工作速度。

因此，這種形式的DAC目前被廣泛的采用。2023/6/1013第十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三6.4DAC的主要技術(shù)參數(shù)1.分辨率

分辨率是指輸出電壓的最小變化量與滿量程輸出電壓之比。輸出電壓的最小變化量就是對應(yīng)于輸入數(shù)字量最低位為1，其余各位均為0時的輸出電壓。滿量程輸出電壓就是對應(yīng)于輸入數(shù)字量全部為1時的輸出電壓。對于n位D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率可表示為：

分辨率＝

位數(shù)越多，能夠分辨的最小輸出電壓變化量就越小，分辨率就越高。也可用位數(shù)n來表示分辨率。2023/6/1014第十四頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三2.轉(zhuǎn)換速度

D/A轉(zhuǎn)換器從輸入數(shù)字量到轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的模擬輸出電壓所需要的時間稱為轉(zhuǎn)換速度。不同的DAC其轉(zhuǎn)換速度也是不相同的，一般約在幾微秒到幾十微秒的范圍內(nèi)。

2023/6/1015第十五頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三3.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度是指電路實際輸出的模擬電壓值和理論輸出的模擬電壓值之差。通常用最大誤差與滿量程輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)表示。通常要求D/A轉(zhuǎn)換器的誤差小于ULSB/2。

例如，某D/A轉(zhuǎn)換器滿量程輸出電壓為10V，如果誤差為1%，就意味著輸出電壓的最大誤差為±0.1V。百分?jǐn)?shù)越小，精度越高。轉(zhuǎn)換精度是一個綜合指標(biāo)，包括零點誤差、增益誤差等，它不僅與D/A轉(zhuǎn)換器中元件參數(shù)的精度有關(guān)，而且還與環(huán)境溫度、集成運放的溫度漂移以及D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有關(guān)。2023/6/1016第十六頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三4.非線性誤差通常把D/A轉(zhuǎn)換器輸出電壓值與理想輸出電壓值之間偏差的最大值定義為非線性誤差。

D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差主要由模擬開關(guān)以及運算放大器的非線性引起。

5.溫度系數(shù)

在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化而變化的量，稱為DAC的溫度系數(shù)。一般用滿刻度的百分?jǐn)?shù)表示溫度每升高一度輸出電壓變化的值。

2023/6/1017第十七頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三6.5

集成D/A轉(zhuǎn)換器及其接口設(shè)計

常用的集成DAC有DAC0832、DAC0808、DAC1230等，這里僅對DAC0832作簡要介紹。

1.D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832

DAC0832是八位D／A轉(zhuǎn)換器件，片內(nèi)帶數(shù)據(jù)鎖存器，電流輸出，輸出電流建立時間為1μs，功耗為20mw。2023/6/1018第十八頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三圖6-3DAC0832內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖

2023/6/1019第十九頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三圖6-4DAC0832外引腳圖

D7—D0：數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，輸入有效保持時間應(yīng)大于90nsILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。CS：片選信號輸入線，低電平有效。WR1：輸入鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖有效，在ILE，CS信號有效時,WR1為”0”時可將當(dāng)前D7—D0狀態(tài)鎖存到輸入鎖存器。XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效。2023/6/1020第二十頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三WR2：DAC寄存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖有效,當(dāng)XFER為”0”時，WR2有效信號可將當(dāng)前輸入鎖存器的輸出狀態(tài)傳送到DAC寄存器中。Iout1：電流輸出線，當(dāng)輸入全為1時Iout最大。Iout2：電流輸出線，Iout2+Iout1為常數(shù)。Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程精度。Vref：基準(zhǔn)電壓輸入端，Vref取值范圍為－10V～+10V。VCC：電源電壓端，Vcc取值范圍為+5V～+15V。Agnd：模擬地。Dgnd：數(shù)字地。2023/6/1021第二十一頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

分辨率：8位

線性誤差：±(1/2)LSB（LSB表示輸入數(shù)字量最低位），若用輸出電壓滿刻度范圍FSR的百分?jǐn)?shù)表示則為0.05%FSR。

轉(zhuǎn)換速度：1μs

溫度系數(shù)：0.001%/℃

DAC0832的主要性能參數(shù)如下：2023/6/1022第二十二頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三

8位二進(jìn)制加法計數(shù)器從全“0”加到全“1”，電路的模擬輸出電壓uo由0V增加到最大值。如果計數(shù)脈沖不斷，則可在電路的輸出端得到周期性的鋸齒波。2.應(yīng)用舉例（組成鋸齒波發(fā)生器）

圖6-5DAC0832組成的鋸齒波發(fā)生器

圖6-6DAC0832組成的鋸齒波發(fā)生器

2023/6/1023第二十三頁，共二十五頁，編輯于2023年，星期三6.6本情景任務(wù)（一）用仿真軟件p