電路分析專(zhuān)題研討-數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)原理研究

1、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）原理研究題目描述：圖 1-1 可作為研究DA 轉(zhuǎn)換電路的模型，其中開(kāi)關(guān)20，21，22分別與三位二進(jìn)制數(shù)相對(duì)應(yīng)。當(dāng)二進(jìn)制數(shù)為“1”時(shí)開(kāi)關(guān)接入相應(yīng)電壓Vs，為“0”時(shí)開(kāi)關(guān)接地。設(shè)Vs=12V。(1)列出從000 到111 所有數(shù)字信號(hào)對(duì)應(yīng)的模擬電壓。（2） 若每隔1us 可以給出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，試給出一種產(chǎn)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(hào)方案（僅給出一個(gè)波形周期的數(shù)字信號(hào)即可）。用EWB 軟件仿真你的設(shè)計(jì)方案。（3）查閱DAC0832 芯片手冊(cè)，分析其倒置R-2R 電阻網(wǎng)絡(luò)（圖1-2）進(jìn)行DAC 轉(zhuǎn)換原理。當(dāng)其輸出接電流電壓轉(zhuǎn)換運(yùn)放如圖1-3

2、 時(shí)，推導(dǎo)其輸出電壓。（4）擴(kuò)展：設(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)結(jié)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(dú)立電源在線性電阻電路中產(chǎn)生的任一電壓或電流，等于每一個(gè)獨(dú)立電源單獨(dú)作用所產(chǎn)生的相應(yīng)電壓或電流的代數(shù)和。理論分析及計(jì)算由V0=V-=V+知，V0實(shí)際為最右端2k電阻上的電壓（1） 讓Vs1單獨(dú)作用，使開(kāi)關(guān)21，22接地，Vs2=Vs3=0，此時(shí)利用元件約束關(guān)系可以將電路逐步簡(jiǎn)化為：（此時(shí)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(dú)作用，使開(kāi)關(guān)20，22接地，Vs1=Vs3=0，此時(shí)利用元件約束關(guān)系可以將電路逐步簡(jiǎn)化為：（此時(shí)左右兩條支路的電壓均為2 V0, 電流均為V0。）（此時(shí)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(dú)作用，使開(kāi)關(guān)20，21接地，Vs2=Vs1=0，此時(shí)利用元件約束關(guān)系可以將電路逐步簡(jiǎn)化為：(此時(shí)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(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)仿真電路仿真結(jié)果開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)202122計(jì)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(zhuǎn)換電路模型結(jié)果可知，不同二進(jìn)制數(shù)字分別對(duì)應(yīng)著不同的電壓。利用信號(hào)發(fā)生器的三個(gè)端口分別輸出三個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，使其對(duì)應(yīng)8個(gè)不同的電壓值。由于輸出信號(hào)幅值為7V，則該問(wèn)題中二進(jìn)制數(shù)字位數(shù)及對(duì)應(yīng)情況恰與2.1相同。若要產(chǎn)生模擬信號(hào)則需要不停的有序控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作從而實(shí)現(xiàn)電壓由 0V 變化到 7V。數(shù)字信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生一系列電壓，本題中數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)按二進(jìn)制進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為輸出一個(gè)電壓值開(kāi)關(guān)就需要有開(kāi)有閉， 在同一時(shí)刻做到開(kāi)關(guān)的有開(kāi)有

5、閉需要用到“非門(mén)”元件，用 1 表示連通，用 0 表示沒(méi)有連通。 非門(mén)的輸出結(jié)果與輸入正好相反，如輸入有信號(hào)，但輸出為 0（無(wú)信號(hào)），沒(méi)有輸入信號(hào)，但輸出為 1（有信號(hào)連通）。根據(jù)“非門(mén)” 元件的性質(zhì)我們可以用一個(gè) “非門(mén)” 元件同時(shí)連接兩個(gè)開(kāi)關(guān) 1 和 2，其中 1 號(hào)開(kāi)關(guān)是電壓控開(kāi)關(guān)并且與電源相連，當(dāng)電壓是 1V 是開(kāi)關(guān)閉合，2號(hào)開(kāi)關(guān)也是一個(gè)電壓控開(kāi)關(guān)但與地相 連。信號(hào)發(fā)生器每隔1us發(fā)出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，信號(hào)從0V變化到7V一共8個(gè)單位，而要產(chǎn)生周期為16us的信號(hào)，則每個(gè)信號(hào)輸出2us。仿真方案設(shè)計(jì)在信號(hào)發(fā)生器中進(jìn)行不同的設(shè)置，則會(huì)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(jié)果鋸齒波方波 三角波方案及原理描述 通過(guò)對(duì)DAC0832芯片手冊(cè)的查閱，可知該芯片是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個(gè)DA芯片以其價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。DAC0823芯片內(nèi)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(nèi)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(hào)輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿(mǎn)量程精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；V

7、REF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V。為進(jìn)一步了解其轉(zhuǎn)換原理，以下圖為例分析其電流電壓情況并推導(dǎo)其輸出電壓：理論分析及計(jì)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(jié)果電源電壓（V）推導(dǎo)結(jié)果（V）電壓表示數(shù)（V）54.9224.92287.8757.875109

8、.8449.8441514.76614.77拓展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一個(gè)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(shè)計(jì)結(jié)果。仿真實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)由以上對(duì)DAC轉(zhuǎn)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(jié)果(Vi=5V)n0123456V005.0007.5008.7509.3759.6879.844發(fā)揮和擴(kuò)展（1）研究DA轉(zhuǎn)換電路時(shí)，負(fù)極是否接地電壓表示數(shù)出現(xiàn)差異。例如：當(dāng)輸入為111時(shí)，接地情況下輸出為7V，不接地情況下輸出為20V。（2）實(shí)驗(yàn)中，若右側(cè)

9、電阻2R接地，則實(shí)驗(yàn)結(jié)果正確， 若不接地，電路圖簡(jiǎn)化如下，此時(shí)輸出電壓與輸入電壓大小相等，較仿真結(jié)果偏大。結(jié)論：除（2）外，都得出了比較完整的仿真結(jié)果，（2）中輸出的波形不是十分正確。設(shè)計(jì)方案基本都達(dá)到要求。參考文獻(xiàn)：基礎(chǔ)電路分析/聞躍.高巖.杜普.清華大學(xué)出版社.北京交通大學(xué)出版社心得和總結(jié)通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，主要收獲分為知識(shí)上的和能力上的兩點(diǎn)：在知識(shí)方面，小組成員通過(guò)EWB軟件的使用和對(duì)電路的分析計(jì)算，更加深入的了解到電路分析相關(guān)知識(shí)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。同時(shí)也對(duì)EWB軟件有了進(jìn)一步的了解。能夠用EWB軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單電路的仿真。了解了有關(guān)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的知識(shí)，為今后更為深入和系統(tǒng)的學(xué)習(xí)電路分析的相關(guān)知識(shí)打下了良好的基礎(chǔ)。在能力方面，本組在完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到很多困難和阻力。通過(guò)成員