第二章DA轉(zhuǎn)換器

1、第二章 D/A轉(zhuǎn)換器2.1 基本組成和原理基本組成和原理nD DA A轉(zhuǎn)換器的基本表達(dá)式轉(zhuǎn)換器的基本表達(dá)式 A = UA = UR R D D A A：輸出模擬信號(hào)：輸出模擬信號(hào) D D：輸入數(shù)字量：輸入數(shù)字量 U UR R: : 基準(zhǔn)電壓基準(zhǔn)電壓 其中：其中： 所以：所以： （2-12-1） 則則D/AD/A輸出為：輸出為： U Uo o = U = UR R X X （2-22-2） （2-32-3）mmnananaD2211)(2211mmRnananaUA)222(22110nnRaaaUUniiiRaU122.1 基本組成和原理基本組成和原理 將式（2-3）改寫為： （2-4） 也可

2、寫為： （2-5）niiiRaUU102)222(211110nnnnRaaaU)222(21111000nnnRaaaUU1022niiinRaU2.1 基本組成和原理基本組成和原理nD DA A轉(zhuǎn)換器的基本工作原理轉(zhuǎn)換器的基本工作原理n如圖所示為并行輸入四位的D/A轉(zhuǎn)換器的示意圖。由電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬切換開關(guān)、輸入緩沖寄存器、基準(zhǔn)電源和運(yùn)算放大器組成。輸入緩沖寄存器URS3S2S0S12R4R8R16RI3I0I1I2Ia3*8a2*4a1*2a0ARfUout+-2.1 基本組成和原理基本組成和原理由圖可知：RUIR402RUIR312RUIR222RUIR1323210IIIII其在輸出端

3、產(chǎn)生的電壓輸出為：3210UUUUUOUTfRRRRRaRUaRUaRUaRU)2222(31221304若 Rf = R則)2222(2332211004aaaaUUROUT2.1 基本組成和原理基本組成和原理nD DA A轉(zhuǎn)換器的組成轉(zhuǎn)換器的組成 n電阻網(wǎng)絡(luò) nDA轉(zhuǎn)換器中都用到由精密電阻組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，電阻值按一定的規(guī)律配置；n輸入數(shù)碼的各支路電流與網(wǎng)絡(luò)電阻阻值有關(guān)。因此，電阻值的精確度直接影響DA轉(zhuǎn)換器的精確度；n轉(zhuǎn)換精確度只決定于電阻的比值而與電阻的絕對值關(guān)系不大。 2.1 基本組成和原理基本組成和原理n模擬切換開關(guān)n精度：模擬切換開關(guān)應(yīng)在斷開時(shí)電阻無限大，導(dǎo)通時(shí)電阻無限小，即要求很

4、高的斷通比值，而且力求減小開關(guān)的飽和壓降、泄漏電流及導(dǎo)通電阻對網(wǎng)絡(luò)輸出電壓的影響。n速度：工作在深飽和狀態(tài)下的雙極型模擬開關(guān)的導(dǎo)通壓降很小，但開關(guān)的速度低。為了提高開關(guān)速度，應(yīng)使開關(guān)工作在非飽和狀態(tài)，然而這將使導(dǎo)通壓降增大，但在權(quán)電流式DA轉(zhuǎn)換器中，由于采用恒流源，將有效地減小開關(guān)壓降的影響，而為非飽和型模擬開關(guān)的實(shí)際運(yùn)用提供了可能性。 2.1 基本組成和原理基本組成和原理n基準(zhǔn)源 n在DA轉(zhuǎn)換器中基準(zhǔn)電源的穩(wěn)定度和精確度直接影響轉(zhuǎn)換的精確度。如要求DA轉(zhuǎn)換器精確到滿刻度的005，則基準(zhǔn)源的精確度至少要滿足001的要求。n運(yùn)算放大器 n DA轉(zhuǎn)換器的輸出端一般都接有運(yùn)算放大器，其作用為：一方面

5、將網(wǎng)絡(luò)中各支路電流進(jìn)行總加，實(shí)現(xiàn)電流電壓變換，另一方面為DA轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)阻抗低，負(fù)載能力強(qiáng)的輸出。 2.1 基本組成和原理基本組成和原理n輸入緩沖寄存器 n在DA轉(zhuǎn)換器的輸入端連接輸入緩沖寄存器(或鎖存器)，用以寄存某一特定的時(shí)間內(nèi)數(shù)字系統(tǒng)的輸出數(shù)碼。起數(shù)據(jù)鎖存作用。 2.1 基本組成和原理基本組成和原理nD/A轉(zhuǎn)換器的分類n輸入數(shù)值形式n并行D/A轉(zhuǎn)換器nT型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n串行D/A轉(zhuǎn)換器n輸入數(shù)碼形式n補(bǔ)碼n偏移二進(jìn)制碼n符號(hào)-數(shù)值碼（原碼）2.1 基本組成和原理基本組成和原理 數(shù)值 符號(hào)-數(shù)值碼 補(bǔ) 碼 偏移二進(jìn)制碼 +127 01111111 0111

6、1111 11111111 +126 01111110 01111110 11111110 +1 00000001 00000001 10000001 0 00000000 00000000 10000000 -1 10000001 11111111 01111111 -127 11111111 10000001 00000001 -128 10000000 000000002.1 基本組成和原理基本組成和原理nD/A轉(zhuǎn)換器的技術(shù)特性n靜態(tài)指標(biāo)n分辨率：轉(zhuǎn)換器的最低位對應(yīng)的輸出值和滿量程輸出的比值。(10位D/A 的分辨率1/(210-1) )n精度n非線性誤差n微分非線性誤差：表示在輸入數(shù)碼

7、整個(gè)范圍內(nèi)，相鄰數(shù)字之間引起的模擬躍變值的差異。2.1 基本組成和原理基本組成和原理n動(dòng)態(tài)指標(biāo)n建立時(shí)間-輸入數(shù)字代碼產(chǎn)生滿度值的變化，模擬輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。n環(huán)境及工作條件影響n溫度系數(shù)滿刻度條件下，溫度每升高一度，模擬電壓變化的百分比。n增益溫度系數(shù)n零點(diǎn)溫度系數(shù)n電源抑制比D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓變化跟電源電壓的變化之比。2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器nT型電阻網(wǎng)絡(luò)中最常見的是R2R網(wǎng)絡(luò)，也稱梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。這種DA轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 UR2RARfU0+-RUa02RR2RRUa1R002a112aR2RRiUaRiia2.nn-1i2RRnUa2R2RRnUa12R222n

8、na112nna21R2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器nT型電阻網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)n網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的等效電阻是一個(gè)恒值,在網(wǎng)絡(luò)中，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效電路都可簡化如圖所示的電路。由圖可以看出，這三個(gè)支路的電阻皆為2R，因此，節(jié)點(diǎn)i的等效電阻Req為 Req=2R/3RRRR2RiiIRiUa2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n各位基準(zhǔn)電壓源的負(fù)載均為3R。n從上圖也可看出，若ai=1，支路內(nèi)的基準(zhǔn)電壓源UR為本支路提供的電流為Ii = UR /3R，n此電流流進(jìn)節(jié)點(diǎn)后按兩路平分，各為Ii/2，n其中一路經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)按2-1的等比級(jí)數(shù)衰減，流向網(wǎng)絡(luò)輸出端，在輸出端負(fù)載上產(chǎn)生模擬電壓輸出。2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/

9、A轉(zhuǎn)換器n網(wǎng)絡(luò)輸出電壓U0是各位基準(zhǔn)電壓源在網(wǎng)絡(luò)輸出端產(chǎn)生的電壓降的線性疊加。nioioUU1 例如，要單獨(dú)考慮an-1UR的作用，即只有an-1=1，其它位為0，利用等效電源原理分析，可得出輸出電壓：RnRnUaUaU1110123231 若單獨(dú)考慮an-2UR的作用，即只有an-2=1，其它位為0，用等效電源原理分析，可得出輸出電壓：RnRnUaUaU222022322312.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 同理，要單獨(dú)考慮an-3UR的作用可得出輸出電壓：RnRnUaUaU23303232231 以此類推，可求出其它各位在網(wǎng)絡(luò)輸出端產(chǎn)生的壓降，利用線性疊加，網(wǎng)絡(luò)輸出電壓為：onoonioi

10、oUUUUU211)2222(320)1(12211nnnnRaaaaU)2222(213200112211aaaaUnnnnnR2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 例：12位T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。其UR = 6.144V，當(dāng)輸入數(shù)碼XP = 000001001011時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓： pnRoXUU2132)21212121(21144.632013612mV75若輸入數(shù)碼Xp全為1，則)21212121(21144.63201101112maxoUV096.4)211(096.4122.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器nT型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器電路分析n12位T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器UR2

11、R0SR002a122R2RiSRiia2iR2R11S2R11112a1RARf=3R+-RB=3R/2Uo2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n網(wǎng)絡(luò)電阻值的確定nR=20k。各位基準(zhǔn)電壓源的等效負(fù)載電阻為3 R，即60k?；鶞?zhǔn)電壓為9 V，流過模擬切換開關(guān)的靜態(tài)電流為：|0.153RiUImAR2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n模擬切換開關(guān)n它的誤差主要由導(dǎo)通開關(guān)的飽和壓降Uces、導(dǎo)通電阻Ron以及截止開關(guān)的泄漏電流引起，其中Uces和Ron是主要的。112aRR2RcesucesRRUUU忽略RonRU112aRR2RonRoneqonRRRRRRUUU忽略UcesRUB）導(dǎo)通電阻a)飽和

12、壓降2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n導(dǎo)通開關(guān)的飽和壓降Uces如Uces=lmV ，UR=6 V由Uces引起的誤差為 %017.0%1006001.0RcesUU若UR增大為9 V，則0.01%cesRUU 所以，隨著UR 的增加，Uces的影響減小，但是UR的增大將給模擬切換開關(guān)的良好驅(qū)動(dòng)帶來困難，且要降低開關(guān)速度。2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻Ronn如Ron變化為5 ，該位等效網(wǎng)絡(luò)電阻Req=60k，由Ron引入的誤差近似為： %008. 0600005oneqonRRR 增加網(wǎng)絡(luò)電阻阻值，可減少Ron的影響，但網(wǎng)絡(luò)電阻值不能隨意增加，因?yàn)樽柚堤髮⑹沽鬟M(jìn)放大器輸

13、入回路的電流很小，放大器的偏移量或開關(guān)的泄漏電流的影響增大。同時(shí)，寄生電抗也增加，這些因素將使轉(zhuǎn)換器誤差增大，轉(zhuǎn)換速度降低。 2.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n運(yùn)算放大器 n網(wǎng)絡(luò)輸出端接運(yùn)算放大器，若反饋電阻Rf選為3R，則總的輸出電壓Uo為: pnifRifRXRRURRUU21320pnRXU22.2 T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n基準(zhǔn)源n在滿足選定的模擬切換開關(guān)正常工作條件下，基準(zhǔn)電壓UR可取任意值。UR取值越大，越可減小由開關(guān)飽和壓降和噪聲引起的誤差。但UR大時(shí)對開關(guān)的驅(qū)動(dòng)要求嚴(yán)格，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度慢。n基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)造成的最大偏差發(fā)生在輸入數(shù)碼全為1態(tài)的情況下，其表達(dá)式為: pRoM

14、AXXUU32niiinRaU022132)211 (32nRU2.3 反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器nT型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)n模擬開關(guān)要么接基準(zhǔn)電壓，要么接地，當(dāng)基準(zhǔn)電壓較大時(shí)，需要復(fù)雜的開關(guān)驅(qū)動(dòng)器，需要降低開關(guān)速度。n流入網(wǎng)絡(luò)的電流隨著輸入數(shù)碼的改變而變，產(chǎn)生寄生電抗導(dǎo)致電流的延遲，影響轉(zhuǎn)換速度。2.3 反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電流開關(guān)I/2I/4I/8I/16nI 2/URI/2I/4I/8I/16nI 2/ARfUout+-LSB 輸入數(shù)碼 MSBn反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖2.3 反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n反T型電阻網(wǎng)

15、絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)n電阻網(wǎng)絡(luò)中各支路電流是恒定的，不隨輸入數(shù)碼的改變而改變，因此，大大減小了網(wǎng)絡(luò)電阻寄生電抗對轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)性能的影響。n模擬切換開關(guān)只是在兩個(gè)不同的地之間控制電流的流向，故可以采用模擬電流開關(guān)，以提高開關(guān)速度。 n隨著輸入數(shù)碼的改變，網(wǎng)絡(luò)等效電阻值不變，基準(zhǔn)源的負(fù)載恒定，有利于基準(zhǔn)源保持輸出電壓的穩(wěn)定。 2.3 反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器n雙極性工作方式雙極性工作方式n任何單極性并行DA轉(zhuǎn)換器都可以改為雙極性的DA轉(zhuǎn)換器，但需具備正、負(fù)基準(zhǔn)電源。電阻網(wǎng)絡(luò)模擬電流開關(guān)I/2I/4I/8I/16nI 2/URI/2I/4I/8I/16nI 2/ARfUout+-LSB 輸入數(shù)碼 M

16、SBRof-URIof=-I/2符號(hào)位2.3 反T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 它是在運(yùn)算放大器的反相輸入端加一個(gè)固定偏移電流。配置的電阻Rof在數(shù)值上使偏移電流Iof等于最高位(符號(hào)位)的電流，即：2o fII但方向相反。 這樣，對應(yīng)于輸入數(shù)碼的其他數(shù)值，網(wǎng)絡(luò)輸出電流將在+I/2-I/2之間變化，運(yùn)算放大器將此電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓輸出。 2.4 權(quán)電阻型權(quán)電阻型DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器n權(quán)電阻型DA轉(zhuǎn)換器的工作原理 &_+RU3I2I0I1IR2R4R8RS3S2S1S0a3a2a1a0URf=R/22.4 權(quán)電阻型權(quán)電阻型DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器n在輸入數(shù)碼的作用下各支路流向放大器反相端的電流總和為:

17、0123IIIII031221302222aRUaRUaRUaRURRRR)2222(2001122333aaaaRUR對于n位權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)的DA轉(zhuǎn)換器則有 ：)2222(2001122111aaaaRUnnnnnRI2.4 權(quán)電阻型權(quán)電阻型DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器n如果運(yùn)算放大器的反饋電阻值為R/2，則DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓為：20RIU)2222(200112211aaaaUnnnnnRpnRXU2因此，模擬輸出電壓與輸入數(shù)碼Xp成正比 2.5 集成D/A轉(zhuǎn)換器n10位單片CMOS DA轉(zhuǎn)換器(AD7520)n基本結(jié)構(gòu)和性能 n它是制作在單塊硅片上的DA轉(zhuǎn)換器，由十個(gè)CMOS模擬開關(guān)和做在CMOS芯片

18、上的薄膜R-2R及反T形電阻網(wǎng)絡(luò)組成。 1S1a2S2a10S10aA10kUo+-20KUR=15V10K20K20K20K10KRFBIout1Iout2IOUT1IOUT2GNDB1B10B9B8B7B6B5B4B3B2RFBVRV+18916AD75202.5 集成D/A轉(zhuǎn)換器n轉(zhuǎn)換器的電路連接 n單極性的DA轉(zhuǎn)換器 -+RFBIOUT1IOUT2VOAD7520161231354MSBLSB+15V14RUA15Rf2.5 集成D/A轉(zhuǎn)換器其輸出表達(dá)式為 ：2RRpnUUX 單極性輸入數(shù)碼 模擬輸出 1111111111 -1023VR/10241000000001-513VR/10241000000000-VR/20000000001-VR/1024000000000002.5 集成D/A轉(zhuǎn)換器n雙極性的DA轉(zhuǎn)換器 -+RFBIOUT1IOUT2AD7520161231354MSBLSB+15V14RUA15Rf-+VOA10K10K10M