數(shù)電數(shù)模轉(zhuǎn)換器

能將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路，稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器。能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器?！獪贤M電路與數(shù)字電路的橋梁，是計(jì)算機(jī)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(zhuǎn)換器的功用2、D/A和A/D轉(zhuǎn)換器＊1當(dāng)前第1頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)(1)自動(dòng)控制系統(tǒng)被控物理量傳感器模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號(hào)DSPD/A轉(zhuǎn)換器模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(2)數(shù)字測(cè)量?jī)x表數(shù)字信號(hào)處理衰減器或放大器被測(cè)物理量傳感器模擬信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字信號(hào)計(jì)數(shù)譯碼顯示＊2當(dāng)前第2頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)(3)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收端：發(fā)送端：＊3當(dāng)前第3頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)§8.2D/A轉(zhuǎn)換器一、實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)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(quán)（有權(quán)碼），∴要把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與之成正比的模擬量，2)將每一位數(shù)字量轉(zhuǎn)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(gè)解碼網(wǎng)絡(luò)來分配各位的權(quán)，將每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量；§8.2.1D/A轉(zhuǎn)換的基本原理＊4當(dāng)前第4頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)二、n位D/A轉(zhuǎn)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(guān)解碼網(wǎng)絡(luò)求和電路模擬量輸出基準(zhǔn)電壓三、D/A轉(zhuǎn)換器的分類：按解碼網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)分權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型T形電阻網(wǎng)絡(luò)型倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型權(quán)電流型權(quán)電容網(wǎng)絡(luò)型開關(guān)樹型＊5當(dāng)前第5頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)按模擬電子開關(guān)分CMOS開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器雙極型開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器電流開關(guān)型ECL電流開關(guān)型非飽和型高速數(shù)字集成電路轉(zhuǎn)換速度較低轉(zhuǎn)換速度較高8.2.3倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器一、原理電路（以4位D/A轉(zhuǎn)換器為例）介紹預(yù)備知識(shí)：集成運(yùn)算放大器的線性運(yùn)用

運(yùn)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(jí)放大器。＊6當(dāng)前第6頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)C+－vIPvINvO同相輸入端反相輸入端idvd集成運(yùn)放線性運(yùn)用時(shí)的兩個(gè)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當(dāng)前第7頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)10.1.2D0~D3:待轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)；vo:模擬電壓輸出；R-2R：組成倒T型電阻解碼網(wǎng)絡(luò)；+VREF:基準(zhǔn)電壓；S0~S3:受Di控制的模擬開關(guān)，當(dāng)Di=1時(shí)，Si打向右側(cè)，與運(yùn)放A的反相輸入端相連；當(dāng)Di=0時(shí)，Si打向左側(cè)，與運(yùn)放A的同相輸入端相連；運(yùn)放A:組成求和及電流-電壓轉(zhuǎn)換電路(外接)。P257圖8-2-4＊8當(dāng)前第8頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)AA′BB′CC′DD′1、根據(jù)運(yùn)放A線性運(yùn)用時(shí)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(guān)。2、則從D、C、B、A向左看的二端網(wǎng)絡(luò)的等效電阻均為R。二、工作原理：則，從基準(zhǔn)電壓源提供的總電流I=VREF/R；＊9當(dāng)前第9頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)AA′BB′CC′DD′3、流入每個(gè)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(guān)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當(dāng)前第10頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)6、將輸入數(shù)字量擴(kuò)展到n位，則，倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器輸出模擬量與輸入數(shù)字量的一般關(guān)系式為：其中——n位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)vo∝NB若取Rf=R，則＊——比例系數(shù)11當(dāng)前第11頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)1、各支路電流直接流入運(yùn)放的輸入端，之間不存在傳輸上的時(shí)間差，所以轉(zhuǎn)換速度較快；2、模擬開關(guān)在地-地之間轉(zhuǎn)換，減少了動(dòng)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(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)——是目前廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)換速度較快的D/A轉(zhuǎn)換器12當(dāng)前第12頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)AD7533D/A轉(zhuǎn)換器使用:1)要外接運(yùn)放，2)運(yùn)放的反饋電阻可使用內(nèi)部電阻，也可采用外接電阻10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器＊取Rf=R時(shí)若用不完10位，則多余的高位輸入端Di要全部接地！13當(dāng)前第13頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)四、CMOS模擬開關(guān)電路(不講)T1～T3：電平移動(dòng)電路，使輸入端可與TTL電平兼容，T4～T5和T6～T7組成兩個(gè)反相器，分別作為模擬開關(guān)管T8～T9的驅(qū)動(dòng)電路；T8～T9構(gòu)成單刀雙擲開關(guān)。附帶提醒：若實(shí)際輸入數(shù)字量少于10位，對(duì)多余輸入端如何處理？100101增強(qiáng)型P型溝道增強(qiáng)型N型溝道增強(qiáng)型N型溝道多余的高位輸入端全部接地?。?4當(dāng)前第14頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)五、為提高轉(zhuǎn)換精度，對(duì)電路參數(shù)的要求（1）基準(zhǔn)電壓的穩(wěn)定性要好；（2）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)中R和2R阻值比值的精度要高；（3）每個(gè)模擬開關(guān)的開關(guān)電壓降要相等；（4）模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻應(yīng)按2的整數(shù)倍遞增。倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)型D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)元件參數(shù)要求高?。?5當(dāng)前第15頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)8.2.4權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器（P259圖8-2-6）用一組恒流源代替倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)，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(quán)電流的大小不受開關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，即降低了對(duì)開關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。＊MSBLSB16當(dāng)前第16頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)8.2.4權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器（P259圖8-2-6）＊MSBLSB17當(dāng)前第17頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)實(shí)際的權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器電路電壓恒定各BJT的發(fā)射結(jié)電壓相等基準(zhǔn)電流產(chǎn)生電路+多發(fā)射極三極管＊18當(dāng)前第18頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)8.2.5D/A轉(zhuǎn)換器的輸出方式一、單極性輸出:若輸入二進(jìn)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(shí)現(xiàn)。1、反相電壓輸出vo=－i∑Rf倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A......D0D1Dn-1VREFRfvo＋－AI∑??＊19當(dāng)前第19頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)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(guān)系見P261表8-2-1I∑倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A......D0D1Dn-1VREFR2vo＋－AR1R●●●●＊20當(dāng)前第20頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)表8-2-18位D/A轉(zhuǎn)換器在單極性輸出時(shí)的輸入/輸出關(guān)系000000001000000011111110000000011000000111111111模擬量

數(shù)字量MSBLSB????????????＊21當(dāng)前第21頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)輸入的數(shù)字量有正負(fù)極性，則輸出的模擬電壓也有正負(fù)極性，即從－滿度值~+滿度值。雙極性D/A轉(zhuǎn)換常用的編碼方式有：2的補(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼、符號(hào)-數(shù)值碼等二、雙極性輸出在二進(jìn)制算術(shù)運(yùn)算中，通常把帶符號(hào)的數(shù)值表示為補(bǔ)碼的形式，故介紹輸入為2的補(bǔ)碼的正負(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換為正負(fù)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(bǔ)碼、偏移二進(jìn)制碼與輸出模擬量之間的關(guān)系1、偏移二進(jìn)制碼：＊22當(dāng)前第22頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)十進(jìn)制數(shù)2的補(bǔ)碼D7D6D5D4D3D2D1D0偏移二進(jìn)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當(dāng)前第23頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)注意:n位2的補(bǔ)碼只有n-1位數(shù)值碼，最高位是符號(hào)位。符號(hào)位為0，表示正數(shù)，正數(shù)和0的補(bǔ)碼與原碼相同！符號(hào)位為1，表示負(fù)數(shù)，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼為反碼加1。什么是偏移二進(jìn)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(fù)數(shù)。比較表8-2-2可知，8位偏移二進(jìn)制碼是把8位二進(jìn)制補(bǔ)碼對(duì)應(yīng)的模擬量的零值偏移至80H。即每個(gè)二進(jìn)制碼加80H，即27。80H是十六進(jìn)制數(shù)，等于16×8=128=27=10000000B若是n位二進(jìn)制碼，則是偏移2n-1，并舍棄進(jìn)位。最簡(jiǎn)的偏移方法：將2的補(bǔ)碼的符號(hào)位求反??？＊24當(dāng)前第24頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)(1)首先將n位2的補(bǔ)碼NB轉(zhuǎn)換為n位偏移二進(jìn)制碼；(2)將n位偏移二進(jìn)制碼作為單極性D/A轉(zhuǎn)換器的輸入；(3)從單極性D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓中減去偏移量對(duì)應(yīng)的模擬電壓3、雙極性輸出的D/A轉(zhuǎn)換器電路:運(yùn)放A2組成反相求和電路,2、將2的補(bǔ)碼轉(zhuǎn)換為雙極性模擬電壓的方法：8位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/AVREFD7D6D5…….D0(補(bǔ)碼)NBRf=R2R1R1R1i∑v1voA1A2－－++?????＊25當(dāng)前第25頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)8位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/AVREFD7D6D5…….D0NBRf=R2R1R1R1i∑v1voA1A2++－－?????＊26當(dāng)前第26頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)8.2.6D/A轉(zhuǎn)換器的主要性能指標(biāo)一、轉(zhuǎn)換精度1、分辨率：用于表征D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入量微小變化的敏感程度，定義為D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。n位DAC最多有2n個(gè)模擬輸出電壓。位數(shù)越多D/A轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的分辨率的理論精度可表示為27當(dāng)前第27頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)(1)比例系數(shù)誤差——基準(zhǔn)電壓偏離標(biāo)準(zhǔn)值引起的誤差。比例系數(shù)誤差實(shí)際理想＊2、轉(zhuǎn)換誤差：指對(duì)給定的數(shù)字量，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際值與理論值之間的最大偏差。

產(chǎn)生原因：由于D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值存在誤差，如基準(zhǔn)電壓不夠穩(wěn)定或運(yùn)算放大器的零漂等各種因素的影響。幾種轉(zhuǎn)換誤差：比例系數(shù)誤差、失調(diào)誤差、非線性誤差等28當(dāng)前第28頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)(2)失調(diào)誤差——由集成運(yùn)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(luò)的模擬開關(guān)的導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通電阻不同等）失調(diào)或漂移誤差理想實(shí)際非線性誤差＊29當(dāng)前第29頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)1、D/A轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間(tset)二、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度

輸入數(shù)字量NB從全0轉(zhuǎn)到全1時(shí)，輸出電壓達(dá)到規(guī)定的誤差范圍(±LSB/2)時(shí)所需的時(shí)間。＊30當(dāng)前第30頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)結(jié)論：要獲得高精度D/A轉(zhuǎn)換器，不僅要選擇位數(shù)較多的高分辨率D/A轉(zhuǎn)換器，還要選用高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)電壓和低零漂的集成運(yùn)放與之配合。2、轉(zhuǎn)換速率(SR)在大信號(hào)工作狀態(tài)下，用模擬電壓的變化率來表示。＊31當(dāng)前第31頁\共有36頁\編于星期日\(chéng)2點(diǎn)8.2.7集成D/A轉(zhuǎn)換器的應(yīng)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(zhuǎn)換器與集成運(yùn)放接成反相比例放大器；c.有