§9.2
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§9.2. D/A 转换. 9.2 D/A 转换. DAC 转换的基本原理:. 图 9.2.1 数模转换器示意图. 《 数字电子技术 》. 9.2 D/A 转换. 一般的数模转换器的基本组成可分为四部分,即: 电阻译码网络 、 模拟开关 、 基准电压源 和 求和运算放大器 。. 图 9.2.2 数模转换器原理图. 目前使用最广泛的 D/A 转换技术有两种:权电阻网络 D/A 转换和 T 形电阻网络 D/A 转换。. 《 数字电子技术 》. 9.2 D/A 转换. §9.2.1 权电阻网络 D/A 转换器.

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9.2 D/A 转换

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§9.2

D/A转换

9.2 D/A转换

DAC转换的基本原理:

图9.2.1 数模转换器示意图

《数字电子技术》


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一般的数模转换器的基本组成可分为四部分,即:电阻译码网络、模拟开关、基准电压源和求和运算放大器。

图9.2.2 数模转换器原理图

目前使用最广泛的D/A转换技术有两种:权电阻网络D/A转换和T形电阻网络D/A转换。

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§9.2.1 权电阻网络D/A转换器

一个多位二进制数中每一位的“1”所代表的数值大小称为这一位的“权”。下面即以图9.2.3为例分析权电阻网络DAC的转换原理:

权电阻网络

求和放大器

模拟开关

基准电压源

9.2.3 4位权电阻网络DAC

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CMOS模拟开关电路

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推论:对于n位的权电阻网络D/A转换器,当反馈电阻取为R/2时,输出电压的计算公式可写为——

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由电路分析可得:

结论:输出电压正比于输入的数字量,从而实现了从数字量到模拟量的转换。

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此种电路:

优点:结构比较简单,所用的电阻元件数很少;

缺点:各个电阻的阻值相差较大,尤其在位数较多时。

改进方法(一):采用双级权电阻网络。如下例:

如何求解?

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§9.2.2 倒T形电阻网络D/A转换器

优点:可更好地克服权电阻网络DAC中电阻阻值相差太大的缺点。

例:

9.2.4 倒T形电阻网络DAC

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该电路电阻网络的等效电路如下:

9.2.5 计算倒T形电阻网络支路电流的等效电路

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由电路分析,可得输出电压为:

推论:对n位输入的倒T形电阻网络DAC,在求和放大器的反馈电阻阻值为R的条件下,输出模拟电压的计算公式为:

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例: 采用倒T形电阻网络的单片集成DAC-——CB7520电路原理图:

图9.2.6 DAC——CB7520电路原理图

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【例1】 下图是用CB7520和74LS161组成的波形发生器电路。已知CB7520的VREF=-10V,试画出输出电压V0的波形,并标出波形图上各点电压的幅度。

9.2.7 DAC——CB7520应用举例

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§9.2.3 权电流型D/A转换器

在权电阻网络DAC和倒T形电阻网络DAC中的模拟开关在实际应用中,总存在一定的导通电阻和导通压降,而且每个开关的情况又不完全相同,所以它们的存在无疑会引起转换误差,影响转换精度。

权电流型DAC可有效的解决这一问题。其示意图如下:

图9.2.8 权电流型DAC

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恒流源电路常使用图9.2.9所示的电路结构形式:

图9.2.9 权电流型DAC中的恒流源

对应的输出电压为:

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在实际应用的权电流型DAC中经常利用倒T形电阻网络的分流作用产生所需要的一组恒流源,如图9.2.10 所示:

图9.2.10 利用倒T形电阻网络的权电流型DAC

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推论:对于输入n位二进制数码的这种电路结构的DAC,输出

电压的计算公式可写成:

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由电路分析知:

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采用这种权电流型DAC电路生产的单片集成DAC有DAC0806、DAC0807、DAC0808等。这些器件都采用双极型工艺制作,工作速度很高。

图9.2.11 DAC0808的电路结构框图

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图9.2.12 DAC0808的典型应用

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§9.2.4 具有双极性输出的D/A转换器

前面讲的DAC输出电压都是单极性的,得不到正、负极性的输出电压。而具有双极性输出的DAC能够把以补码形式输入的正负数分别转换成正负极性的模拟电压。

下面以输入为3位二进制补码的情况为例,说明转换的原理。

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表7-2-1 输入为3位二进制补码时要求DAC的输出

表7-2-2 具有偏移的DAC的输出

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符号位

数值位

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符号取反

偏移电路

图9.2.13 具有双极性输出电压的DAC

其中,由RB和VB组成偏移电路,门G完成符号位的取反。

为使输入代码为000时的输出电压等于零,需使下式成立:

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§9.2.5 D/A转换器的转换精度与转换速度

一、DAC的转换精度

在DAC中通常用分辨率和转换误差来描述转换精度。

由于DAC的各个环节在参数和性能上和理论值之间不可避免的存在着差异,所以实际能达到的转换精度要由转换误差来决定。

表示由各种因素引起的转换误差的一个综合性指标称为线性误差。线性误差表示实际的D/A转换特性和理想转换特性之间的最大偏差,如图9.2.11 所示。线性误差一般用最低有效位的倍数表示。

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图9.2.11 DAC的转换特性曲线

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造成DAC转换误差的原因有:

* 参考电压VREF的波动

* 运算放大器的零点漂移

* 模拟开关的导通内阻和导通压降

* 电阻网络中电阻阻值的偏差

* 三极管特性的不一致 等等。

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由不同因素所导致的转换误差各有不同的特点:

1)若VREF偏离标准值△VREF,则由△VREF引起的转换误差叫做比例系数误差,用△VO1表示。图9.2.12中虚线表示出了当△VREF一定时VO值偏离理论值的情况。

图9.2.12 比例系数误差

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2)由运算放大器的零点漂移造成的输出电压误差叫做漂移误差或平移误差,用△VO2表示,如图9.2.13中虚线所示:

图9.2.13 漂移误差

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3)由于模拟开关的导通内阻和导通压降都不可能真正等于零,因而它们的存在也必将在输出端产生误差电压△VO3,这种性质的误差叫做非线性误差。

4)产生非线性误差的另一个原因是电阻网络中电阻阻值的偏差,其中也包含了模拟开关导通电阻所带来的误差。在输出端产生的误差电压△VO4与输入数字量之间也是一种非线性关系。

这两种误差示于图9.2.14中。

图9.2.14 非线性误差

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因为这几种误差电压之间不存在固定的函数关系,所以最坏的情况下输出总的误差电压等于它们的绝对值相加,即

说明:为获得高精度的DAC,单纯依靠选用高分辨率的DAC器件是不够的,还必须具有高稳定度的参考电压源VREF和低漂移的运算放大器与之配合使用,才可能获得较高的转换精度。

以上讨论的都是静态误差,对于动态误差,可在DAC的输出端附加采样——保持电路。

【例2】在图9.2.6的倒T形电阻网络(CB7520)DAC中,外接参考电压VREF=-10V。为保证VREF偏离标准值所引起的最大误差小于1/2LSB,试计算VREF的相对稳定度应取多少?

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二、DAC的转换速度

通常用建立时间tset来定量描述DAC的转换速度。

建立时间tset是这样定义的:从输入的数字量发生突变开始,直到输出电压进入与稳态值相差±1/2LSB范围以内的这段时间,称为建立时间tset,如图所示:

图9.2.18 DAC的建立时间

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