数模转换器(DAC)原理研究

数字-模拟转换器 (DAC)原理研究

电子0801班 08214014 08214013

一 题目简述

随着科学技术的发展, 我们常常要用模拟系统来处理数字信号. 这就需要数字-模拟的转换. DAC的作用是将计算机或控制器产生的二进制数字转换成与之成比例的模拟电压. 其意义相当于一种译码电路. 本次的数模原理研究主要介绍全电阻网络D/A转换器和倒T型电阻网络D/A转换器, 利用等效方法和叠加原理推导输出电压, 比较两种转换器的特点. 并用EWB软件来验证电路的工作原理.

二 DAC原理

1. D/A数模转换器的设计思想

D/A数模转换器在某种意义上说相当于一种译码电路，将给定的二进制码的量译成相应的模拟量的数值。

数字量是由二进制数位组合起来，而每位数字符号都有一定的权。例如，四位二进制数1101每位的权对应十进制数值从高位到底为排列依次为8，4，2，1（必须位置上是一才有效）。所以二进制数1101代表十三。为了将数字量转换成模拟的量，可以将每一位数字量按权的大小装换成模拟量。然后将这些模拟量相加，所得到的总的模拟量就是数字量所必须转换成

的模拟量。

2.权电阻网络D/A转换器

(1) 数模转换的一种方法是使用电阻网络，网络中阻值表示数字码输入位的二进制权值。输入的电平决定电流的有无，开关接入相应电压Vs时，输入电压为

Vs，二进制数位“1”。开关接地时输入电压为0V，二

进制数为“0”. 如下图给出了一个三位的DAC。 上面已经提及开关K,

n1n1n2Kn2，……, K1，K0分别受输入

10代码D，D，……，D，D的状态控制，由于虚地点的存在，其中某个开关K接到“1”或“0”在电阻R支

ii路产生的电流为

IiVRki Ri 即

I1VRD1 R12IiVRDi Ri

VRD2 R2I0VRD0 R0

R0I2支路电流总和 I=I=VRii0D0+

VRVD1+RD2 R1R2 = =

VRVRVR++DDD2 012102R2R2RVR22R[D222D121D020]

R=V22RD2

iii02所以输出模拟电压 V0RfI22R

推广V0RfI2nR

RfVRiD2i i02RfVRiD2i i0n 上式表明，输出的模拟电压V正比于输入的数字

O量D，从而实现了从数字量到模拟量的转换。当D=0

II时，V=0，而D=11…11

OI

2n1时，VO=nVR，故VO的

R22Rf最大变化范围是

2n10~nVR。

R22Rf

从000到111所有数字信号对应的模拟电压 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

EWB仿真结果 输入信号000

二进制数 000 001 010 011 100 101 110 111 U0/V 0 1.5 3 4.5 6 7.5 9 10.5

输入信号001

输入信号100

输入信号011

输入信号010

输入信号110

输入信号101

输入信号111

此类型DAC特点：

结构简单，所用电阻由于元件数减少，该转换器的转换精度取决于基准电源，电子模拟开关，运算放大器及各权电阻的精度。因为各个阻值相差较大，电阻精度很难提高。例如,一个8位转换器需要8个电阻,并且电阻值的范围以二进制权的步长从R变化到128R.电阻的范围需要255分之一(小于0.5%)的允许误差才能精确的转换输入.因此这种类型的DAC很难大量生产.

(2) 每隔1us可以以给出一个数字信号，试给出一种产生周期为16us，幅度为7V的锯齿波和三角波和方波的数字信号方案（仅给出一个波形周期的数字信号即可）。用EWB软件仿真你的设计方案。

3倒T型R-2R电阻网络DAC原理

（1）数字量某位输入“0”，相应电子开关动作，电阻支路接地；反之，输入“1”，相应电子开关也动作，但将电阻支路接到运算放大器负输入端，因此，不管输入是“0”、“1”，流过每个支路的电流始终不变，基准电压源提供的总电流也固定不变。

（2） 电分析计算

路

中

R1=R2=R3=R4=2R=1K,

R5=R6=R7=R8=R=0.5K,电源电压U=12V.

假设，开始时输入D3为高电平U=12V，其他的都为低电平（接地0V），这种情况表示二进制数D3=1000，此时，电路分析化简电路为如图所示等价电路。本质上只有Rf经过R2等价电阻，因为反向输入虚地。因此，通过R4的电流I4也通过Rf，即I4=If，I4=U/2R.输出电压U0=-U=-12V.

当D2输入为12V，其他输入接地时，等效电路如图，此情况相当于二进制数D2=0100.由戴维南定理，从R4左边看去，得到U/2及与之串联的电阻R,如图。If=0.5U/(2R).U0=-1/2U=-6V.

当D1输入为U=12V，其他输入接地时，等效电路如图，此情况相当于二进制数D1=0010.由戴维南定理，从R4左边看去，得到U/4及与之串联的电阻R,如

图

。

If=0.25U/(2R),U0=-1/4U=-3V.

当D0输入等于U=12V，其他输入接地时等效电路如图，此时二进制数D1=00……01. 由戴维南定理，从R4左边看去，得到U/8及与之串联的电阻R,如图。If=0.125U/(2R),U0=-1/8U=-1.5V.

由叠加定理可知

UD I=R(+D+D+D)

4204213222231 = V=

OU3012D2D2D2D2(+++) 301242RU24IiR(D323+D222+D121+D020)

列表从0000到1111所有可能电压值

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 D13 D14 D15 推广

二进制数 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 U0/V 0 -1.5 -3 -4.5 -6 -7.5 -9 -10.5 -12 -13.5 -13 -16.5 -18 -19.5 -21 -22.5

每个连续的较低权输入产生减半的输出电压，输出电压就与输入位的二进制权值成正比。

由叠加原理既得倒T型R-2R电阻网络的等效输出电压。 I=V(D+

RiR20nD12n1+……+D+D)

2n222n11 =

VOVR2Rn(Dn12n1+Dn22n2+……+D121+D020)

=

IiRVR2n(

Dn12n1+

Dn22n2+……

+D

121+D020)

此类型DAC特点：

因为速度快，是目前D/A转换器中使用最多的电路。各支路电流是同时直接流入运算放大器的输出端,

而不必逐级叠加,消除了传输时间差,因而提高了转换速度并减小了动态过程中在输出端可能出现的尖峰脉冲.另外,电子开关一般都能满足”先通后断”的条件,在某位输入值状态变化过程中,流过各支路的电流仍不发生变化,即不需要电流建立时间,从而也有助于工作速度的提高.

（2）当其输出接电流电压转换运放如图1-3时，推导其输出电压

查阅DAC0832芯片手册, DAC0832是具有两个输入数据缓冲器（寄存器）的8位D/A转换器，适用于多数字系统中多数据的同时转换。

由（1）倒T型R-2R电阻网络所得结论 Uout=U0=V(DRn2n12n1+Dn22n2+……+D121+D020)

V0RfIRfVR23RiD2i i03V VIRR(D2n1D2n2......D21D20)0in1n2102n

VVIRREF(D27D26......D21D20)OUTi761028VREF(DIGITALINPUT)10 VOUT

三 扩展

256设计一个数字控制增益的电压放大器，

V0=nkVi，其中n=0-15，k=2, Vi的变化范围是+/-5V。

利用倒T型电阻网络输出模拟电压，电路图如图 因为n=0-15所以电路中有四条支路 EWB仿真结果：

VO= IiRU24(D323+D222+D121+D020)

结论：

由计算分析和EWB仿真，我们都得到了权电阻型以及倒T型电阻网络的正确模拟电压，也就是成功将数字信号转换成了相应的模拟信号。这一结果是数模转换的基础。拓展中DAC0832芯片的输出电压也的除了与辅导教材一致的数据。

但是，我们的设计仍然稍有欠缺。在用EWB输出动态波形时我们遇到了困难。主要原因是我们对EWB软件的生疏。今后，我们应该加强对该软件的学习与操作。

在即将的到来的小学期里，我们会有更多的时间和精力来探讨这个问题，相信我们会有所收获的。

心得体会

经过了将近两个星期的学习，讨论，研究,，我们终于完成了电路分析专题研究——《数字—模拟转换器DAC原理研究》。

首先说一下我们为什么选择这个题目。第一，数模转换器是我们再今后数字电路中需要学到的知识，所以现在提前预习研究，对我们以后的学习很有帮助；第二，数模转换器在我们生活中应用的很广泛，相比其它题目，更能引起我们的兴趣。从最初阅读辅导材料，到之后到图书馆借阅有关书籍，在宿舍安装EWB的仿真软件；从最初对所选的题目一筹莫展时所想到的放弃，到后来一点点将数模转换的原理弄懂，最后将整个专题研究完成。不得不说，《数字—模拟转换器DAC原理研究》这个课题是比较难的，耗费了我们大量的时间，但是在查阅资料，研究电路原理图的过程中，我们也学到了许多。

电路分析这门课应该是我们学电子的接触的第一门专业课，所以它在我们的学习过程中必然起到了十分关键作用。而此次专题研究，面对陌生的原理，陌生的电路图，我们从零开始，到最后我们基本上自己独立完成，所以对我们有很重大的意义。整个研究完

成后，我们深刻认识到，再难的原理，再复杂的电路图，在分析的过程中都是要从那些基层的知识考虑，如基尔霍夫电压（电流）定律，或者运算放大器的一些性质等等，这些都是我们刚刚学完不久的知识。所以要在熟悉所学的基础上做到灵活运用。在电路基础课的学习中就是要抓住这些电路分析的基本定理和基本方法，像网孔法、节点法这些都是分析具体问题的基本方法，一定要烂熟于心。对电流电压的正负规定以及运算的计算速度和熟练程度都是我们要多下功夫努力提高，以及灵活运用的方向。

参考书目：

《数字电路与逻辑设计》电子工业出版社 刘浩彬 《数字电子技术》电子工业出版社 Thomas L. Floyd