數(shù)電數(shù)模轉換器

能將數(shù)字信號轉換成模擬信號的電路，稱為數(shù)/模轉換器，簡稱D/A轉換器。能將模擬信號轉換成數(shù)字信號的電路，稱為模/數(shù)轉換器，簡稱A/D轉換器?！獪贤M電路與數(shù)字電路的橋梁，是計算機和許多電子系統(tǒng)中不可或缺的接口電路。完整的電子系統(tǒng)通常是模擬－數(shù)字混合系統(tǒng)。3、D/A和A/D轉換器的功用2、D/A和A/D轉換器＊1目前一頁\總數(shù)三十六頁\編于七點(1)自動控制系統(tǒng)被控物理量傳感器模擬信號A/D轉換器數(shù)字信號DSPD/A轉換器模擬信號驅動執(zhí)行機構(2)數(shù)字測量儀表數(shù)字信號處理衰減器或放大器被測物理量傳感器模擬信號A/D轉換器數(shù)字信號計數(shù)譯碼顯示＊2目前二頁\總數(shù)三十六頁\編于七點(3)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收端：發(fā)送端：＊3目前三頁\總數(shù)三十六頁\編于七點§8.2D/A轉換器一、實現(xiàn)D/A轉換的基本思路：∵數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，每位代碼都有一定的權（有權碼），∴要把數(shù)字量轉換成與之成正比的模擬量，2)將每一位數(shù)字量轉換成的模擬量相加。即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量。必須：1)用一個解碼網(wǎng)絡來分配各位的權，將每一位代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量；§8.2.1D/A轉換的基本原理＊4目前四頁\總數(shù)三十六頁\編于七點二、n位D/A轉換器的方框圖：n位數(shù)字量輸入數(shù)碼寄存器n位模擬開關解碼網(wǎng)絡求和電路模擬量輸出基準電壓三、D/A轉換器的分類：按解碼網(wǎng)絡的結構分權電阻網(wǎng)絡型T形電阻網(wǎng)絡型倒T形電阻網(wǎng)絡型權電流型權電容網(wǎng)絡型開關樹型＊5目前五頁\總數(shù)三十六頁\編于七點按模擬電子開關分CMOS開關D/A轉換器雙極型開關D/A轉換器電流開關型ECL電流開關型非飽和型高速數(shù)字集成電路轉換速度較低轉換速度較高8.2.3倒T形電阻網(wǎng)絡型D/A轉換器一、原理電路（以4位D/A轉換器為例）介紹預備知識：集成運算放大器的線性運用

運算放大器:具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、高增益、低漂移的直耦式多級放大器。＊6目前六頁\總數(shù)三十六頁\編于七點C+－vIPvINvO同相輸入端反相輸入端idvd集成運放線性運用時的兩個重要法則：1、虛短：兩輸入端的電位差為零。即：vd

=

vIP-vIN=02、虛斷：流入兩輸入端的電流為零。即：id=0∵

id=0→iF=

i1∵vP

=vN=0→∴vO=-iFRFC+－vIvOR1RFi1iFvPvN??idvd＊7目前七頁\總數(shù)三十六頁\編于七點10.1.2D0~D3:待轉換的數(shù)字信號；vo:模擬電壓輸出；R-2R：組成倒T型電阻解碼網(wǎng)絡；+VREF:基準電壓；S0~S3:受Di控制的模擬開關，當Di=1時，Si打向右側，與運放A的反相輸入端相連；當Di=0時，Si打向左側，與運放A的同相輸入端相連；運放A:組成求和及電流-電壓轉換電路(外接)。P257圖8-2-4＊8目前八頁\總數(shù)三十六頁\編于七點AA′BB′CC′DD′1、根據(jù)運放A線性運用時的虛短（現(xiàn)為虛地）法則，無論Si打向何處，與之相連的2R電阻均接“地”；即流經(jīng)2R電阻的電流與Si的位置無關。2、則從D、C、B、A向左看的二端網(wǎng)絡的等效電阻均為R。二、工作原理：則，從基準電壓源提供的總電流I=VREF/R；＊9目前九頁\總數(shù)三十六頁\編于七點AA′BB′CC′DD′3、流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數(shù)倍遞減。即：流入各開關支路的電流（從右至左）分別為I/2、I/4、I/8、I/16。4、總電流為5、輸出模擬電壓為＊10目前十頁\總數(shù)三十六頁\編于七點6、將輸入數(shù)字量擴展到n位，則，倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉換器輸出模擬量與輸入數(shù)字量的一般關系式為：其中——n位二進制數(shù)對應的十進制數(shù)vo∝NB若取Rf=R，則＊——比例系數(shù)11目前十一頁\總數(shù)三十六頁\編于七點1、各支路電流直接流入運放的輸入端，之間不存在傳輸上的時間差，所以轉換速度較快；2、模擬開關在地-地之間轉換，減少了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖脈沖。常用集成電路有：AD7520（10位）、AD7533（10位）等＊三、倒T形電阻網(wǎng)絡型D/A轉換器的特點——是目前廣泛應用的轉換速度較快的D/A轉換器12目前十二頁\總數(shù)三十六頁\編于七點AD7533D/A轉換器使用:1)要外接運放，2)運放的反饋電阻可使用內部電阻，也可采用外接電阻10位CMOS電流開關型D/A轉換器＊取Rf=R時若用不完10位，則多余的高位輸入端Di要全部接地！13目前十三頁\總數(shù)三十六頁\編于七點四、CMOS模擬開關電路(不講)T1～T3：電平移動電路，使輸入端可與TTL電平兼容，T4～T5和T6～T7組成兩個反相器，分別作為模擬開關管T8～T9的驅動電路；T8～T9構成單刀雙擲開關。附帶提醒：若實際輸入數(shù)字量少于10位，對多余輸入端如何處理？100101增強型P型溝道增強型N型溝道增強型N型溝道多余的高位輸入端全部接地！＊14目前十四頁\總數(shù)三十六頁\編于七點五、為提高轉換精度，對電路參數(shù)的要求（1）基準電壓的穩(wěn)定性要好；（2）倒T形電阻網(wǎng)絡中R和2R阻值比值的精度要高；（3）每個模擬開關的開關電壓降要相等；（4）模擬開關的導通電阻應按2的整數(shù)倍遞增。倒T形電阻網(wǎng)絡型D/A轉換器對元件參數(shù)要求高?。?5目前十五頁\總數(shù)三十六頁\編于七點8.2.4權電流型D/A轉換器（P259圖8-2-6）用一組恒流源代替倒T形電阻網(wǎng)絡，恒流源從高位到低位依次為I/2、I/4、I/8、I/16。則，各支路權電流的大小不受開關導通電阻和壓降的影響，即降低了對開關電路的要求，提高了轉換精度。＊MSBLSB16目前十六頁\總數(shù)三十六頁\編于七點8.2.4權電流型D/A轉換器（P259圖8-2-6）＊MSBLSB17目前十七頁\總數(shù)三十六頁\編于七點實際的權電流D/A轉換器電路電壓恒定各BJT的發(fā)射結電壓相等基準電流產生電路+多發(fā)射極三極管＊18目前十八頁\總數(shù)三十六頁\編于七點8.2.5D/A轉換器的輸出方式一、單極性輸出:若輸入二進制數(shù)的每一位都是數(shù)字位，即均為正數(shù)，輸出模擬電壓為0V~±滿度值。則，選擇不同的電路形式或不同的參考電壓極性即可實現(xiàn)。1、反相電壓輸出vo=－i∑Rf倒T型電阻網(wǎng)絡D/A......D0D1Dn-1VREFRfvo＋－AI∑??＊19目前十九頁\總數(shù)三十六頁\編于七點2、同相電壓輸出vo=i∑R（1+R2/R1）8位單極性輸出D/A的輸入/輸出關系見P261表8-2-1I∑倒T型電阻網(wǎng)絡D/A......D0D1Dn-1VREFR2vo＋－AR1R●●●●＊20目前二十頁\總數(shù)三十六頁\編于七點表8-2-18位D/A轉換器在單極性輸出時的輸入/輸出關系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量

數(shù)字量MSBLSB????????????＊21目前二十一頁\總數(shù)三十六頁\編于七點輸入的數(shù)字量有正負極性，則輸出的模擬電壓也有正負極性，即從－滿度值~+滿度值。雙極性D/A轉換常用的編碼方式有：2的補碼、偏移二進制碼、符號-數(shù)值碼等二、雙極性輸出在二進制算術運算中，通常把帶符號的數(shù)值表示為補碼的形式，故介紹輸入為2的補碼的正負數(shù)轉換為正負極性的模擬電壓輸出的情況。P261表8-2-2列出了8位2的補碼、偏移二進制碼與輸出模擬量之間的關系1、偏移二進制碼：＊22目前二十二頁\總數(shù)三十六頁\編于七點十進制數(shù)2的補碼D7D6D5D4D3D2D1D0偏移二進制碼D7D6D5D4D3D2D1D0模擬量vO/VLSB1270111111111111111127126011111101111111012610000000110000000000-111111111-1-12710000001-127-12810000000-128????????????1000000110000000011111110000000100000000??????表8-2-2常用雙極性編碼注:其中VLSB=VREF/256注意0值代碼的區(qū)別?。?3目前二十三頁\總數(shù)三十六頁\編于七點注意:n位2的補碼只有n-1位數(shù)值碼，最高位是符號位。符號位為0，表示正數(shù)，正數(shù)和0的補碼與原碼相同！符號位為1，表示負數(shù)，負數(shù)的補碼為反碼加1。什么是偏移二進制碼？則，偏移后的數(shù)中，只有大于128的才是正數(shù)，而小于128的數(shù)為負數(shù)。比較表8-2-2可知，8位偏移二進制碼是把8位二進制補碼對應的模擬量的零值偏移至80H。即每個二進制碼加80H，即27。80H是十六進制數(shù)，等于16×8=128=27=10000000B若是n位二進制碼，則是偏移2n-1，并舍棄進位。最簡的偏移方法：將2的補碼的符號位求反??？＊24目前二十四頁\總數(shù)三十六頁\編于七點(1)首先將n位2的補碼NB轉換為n位偏移二進制碼；(2)將n位偏移二進制碼作為單極性D/A轉換器的輸入；(3)從單極性D/A轉換器的輸出電壓中減去偏移量對應的模擬電壓3、雙極性輸出的D/A轉換器電路:運放A2組成反相求和電路,2、將2的補碼轉換為雙極性模擬電壓的方法：8位倒T型電阻網(wǎng)絡D/AVREFD7D6D5…….D0(補碼)NBRf=R2R1R1R1i∑v1voA1A2－－++?????＊25目前二十五頁\總數(shù)三十六頁\編于七點8位倒T型電阻網(wǎng)絡D/AVREFD7D6D5…….D0NBRf=R2R1R1R1i∑v1voA1A2++－－?????＊26目前二十六頁\總數(shù)三十六頁\編于七點8.2.6D/A轉換器的主要性能指標一、轉換精度1、分辨率：用于表征D/A轉換器對輸入量微小變化的敏感程度，定義為D/A轉換器模擬輸出電壓可能被分離的等級數(shù)。n位DAC最多有2n個模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉換器的分辨率越高。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給出。n位D/A轉換器的分辨率的理論精度可表示為27目前二十七頁\總數(shù)三十六頁\編于七點(1)比例系數(shù)誤差——基準電壓偏離標準值引起的誤差。比例系數(shù)誤差實際理想＊2、轉換誤差：指對給定的數(shù)字量，D/A轉換器實際值與理論值之間的最大偏差。

產生原因：由于D/A轉換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準電壓不夠穩(wěn)定或運算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉換誤差：比例系數(shù)誤差、失調誤差、非線性誤差等28目前二十八頁\總數(shù)三十六頁\編于七點(2)失調誤差——由集成運放的零漂等引起的誤差。(3)非線性誤差——因素較多（如：解碼網(wǎng)絡的模擬開關的導通壓降、導通電阻不同等）失調或漂移誤差理想實際非線性誤差＊29目前二十九頁\總數(shù)三十六頁\編于七點1、D/A轉換器的建立時間(tset)二、D/A轉換器的轉換速度

輸入數(shù)字量NB從全0轉到全1時，輸出電壓達到規(guī)定的誤差范圍(±LSB/2)時所需的時間。＊30目前三十頁\總數(shù)三十六頁\編于七點結論：要獲得高精度D/A轉換器，不僅要選擇位數(shù)較多的高分辨率D/A轉換器，還要選用高穩(wěn)定度的基準電壓和低零漂的集成運放與之配合。2、轉換速率(SR)在大信號工作狀態(tài)下，用模擬電壓的變化率來表示。＊31目前三十一頁\總數(shù)三十六頁\編于七點8.2.7集成D/A轉換器的應用(1)數(shù)字式可編程增益控制電路

D2

D7

uO

D0

D1

2R

2R

2R

2R

R

R

R

D8

D9

R

R

R

uI

2R

2R

2R

-

+

RF

IOUT1

IOUT2

VREF

a.D/A轉換器與集成運放接成反相比例放大器；c