電路分析專題研討-數(shù)字-模擬轉換器(DAC)原理研究

1、數(shù)字-模擬轉換器（DAC）原理研究題目描述：圖 1-1 可作為研究DA 轉換電路的模型，其中開關20，21，22分別與三位二進制數(shù)相對應。當二進制數(shù)為“1”時開關接入相應電壓Vs，為“0”時開關接地。設Vs=12V。(1)列出從000 到111 所有數(shù)字信號對應的模擬電壓。（2） 若每隔1us 可以給出一個數(shù)字信號，試給出一種產生周期為16us，幅度為7V 的鋸齒波和三角波和方波的數(shù)字信號方案（僅給出一個波形周期的數(shù)字信號即可）。用EWB 軟件仿真你的設計方案。（3）查閱DAC0832 芯片手冊，分析其倒置R-2R 電阻網絡（圖1-2）進行DAC 轉換原理。當其輸出接電流電壓轉換運放如圖1-3

2、 時，推導其輸出電壓。（4）擴展：設計一個數(shù)字控制增益的電壓放大器，V0=nkVi，其中n=0-15，k=2,Vi=+/-5V。用EWB 仿真設計結果。方案及原理描述由圖11利用等效法和疊加法求V0。疊加定理：由全部獨立電源在線性電阻電路中產生的任一電壓或電流，等于每一個獨立電源單獨作用所產生的相應電壓或電流的代數(shù)和。理論分析及計算由V0=V-=V+知，V0實際為最右端2k電阻上的電壓（1） 讓Vs1單獨作用，使開關21，22接地，Vs2=Vs3=0，此時利用元件約束關系可以將電路逐步簡化為：（此時1k兩端電壓為4 V0，所以回路中的電流大小為4V0 mA，利用KVL可得，V0=112Vs1）

3、(2) 讓Vs2單獨作用，使開關20，22接地，Vs1=Vs3=0，此時利用元件約束關系可以將電路逐步簡化為：（此時左右兩條支路的電壓均為2 V0, 電流均為V0。）（此時1k兩端電壓為2V0，回路中的電流為2V0 mA,由KVL知：V0=16Vs2）（3） 讓Vs3單獨作用，使開關20，21接地，Vs2=Vs1=0，此時利用元件約束關系可以將電路逐步簡化為：(此時1k兩端電壓為V0，回路中電流為V0 mA，由KVL知：V0=13Vs3)。綜上，有疊加法有：V0=112Vs1+16Vs2+13Vs3。仿真實驗方案設計仿真電路仿真結果開關實驗202122計算數(shù)據(jù)(V)電壓表示數(shù)(V)100000

4、.000210011.000301022.000411033.000500144.000610155.000701166.000811177.000方案及原理描述由2.1DA轉換電路模型結果可知，不同二進制數(shù)字分別對應著不同的電壓。利用信號發(fā)生器的三個端口分別輸出三個二進制數(shù)字，使其對應8個不同的電壓值。由于輸出信號幅值為7V，則該問題中二進制數(shù)字位數(shù)及對應情況恰與2.1相同。若要產生模擬信號則需要不停的有序控制開關動作從而實現(xiàn)電壓由 0V 變化到 7V。數(shù)字信號發(fā)生器可以產生一系列電壓，本題中數(shù)字信號與模擬信號按二進制進行轉化，為輸出一個電壓值開關就需要有開有閉， 在同一時刻做到開關的有開有

5、閉需要用到“非門”元件，用 1 表示連通，用 0 表示沒有連通。 非門的輸出結果與輸入正好相反，如輸入有信號，但輸出為 0（無信號），沒有輸入信號，但輸出為 1（有信號連通）。根據(jù)“非門” 元件的性質我們可以用一個 “非門” 元件同時連接兩個開關 1 和 2，其中 1 號開關是電壓控開關并且與電源相連，當電壓是 1V 是開關閉合，2號開關也是一個電壓控開關但與地相 連。信號發(fā)生器每隔1us發(fā)出一個數(shù)字信號，信號從0V變化到7V一共8個單位，而要產生周期為16us的信號，則每個信號輸出2us。仿真方案設計在信號發(fā)生器中進行不同的設置，則會出現(xiàn)鋸齒波、三角波和方波三種波形，周期均為16us仿真電路

6、仿真結果鋸齒波方波 三角波方案及原理描述 通過對DAC0832芯片手冊的查閱，可知該芯片是8分辨率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統(tǒng)中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。DAC0823芯片內部原理圖如下：在該芯片中：IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內容線性變化；IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調整轉換滿量程精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；V

7、REF：基準電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V。為進一步了解其轉換原理，以下圖為例分析其電流電壓情況并推導其輸出電壓：理論分析及計算由于在芯片所處的電路中，以任一支路看，電路的等效電阻均為R，所以各支路的電流分別為（VREF/R）/2、（VREF/R）/2）/2即第a 條支路的電流為（VREF/R/(2a)；那么回路中的總電流為I=（VREF/R）*（1/2+1/22+1/2a)；由于-V0 / Rf=I，即有V0= -（1/2+1/22+1/2a）*（VREF*Rf）/R。仿真電路仿真結果電源電壓（V）推導結果（V）電壓表示數(shù)（V）54.9224.92287.8757.875109

8、.8449.8441514.76614.77拓展實驗設計一個數(shù)字控制增益的電壓放大器，V0=nkVi，其中n=0-15，k=2, Vi=+/-5V。用EWB仿真設計結果。仿真實驗方案設計由以上對DAC轉換電路的原理分析可得，數(shù)字控制增益的電壓放大器電路圖如下：其中，n=1/2+1/22+1/2a;k=Rf/R; Vi=VREF仿真電路仿真結果(Vi=5V)n0123456V005.0007.5008.7509.3759.6879.844發(fā)揮和擴展（1）研究DA轉換電路時，負極是否接地電壓表示數(shù)出現(xiàn)差異。例如：當輸入為111時，接地情況下輸出為7V，不接地情況下輸出為20V。（2）實驗中，若右側

9、電阻2R接地，則實驗結果正確， 若不接地，電路圖簡化如下，此時輸出電壓與輸入電壓大小相等，較仿真結果偏大。結論：除（2）外，都得出了比較完整的仿真結果，（2）中輸出的波形不是十分正確。設計方案基本都達到要求。參考文獻：基礎電路分析/聞躍.高巖.杜普.清華大學出版社.北京交通大學出版社心得和總結通過本次實驗，主要收獲分為知識上的和能力上的兩點：在知識方面，小組成員通過EWB軟件的使用和對電路的分析計算，更加深入的了解到電路分析相關知識在實驗中的應用。同時也對EWB軟件有了進一步的了解。能夠用EWB軟件進行簡單電路的仿真。了解了有關數(shù)字模擬轉換器的知識，為今后更為深入和系統(tǒng)的學習電路分析的相關知識打下了良好的基礎。在能力方面，本組在完成實驗過程中遇到很多困難和阻力。通過成員