第二章DA转换器

1、第二章 D/A转换器2.1 基本组成和原理基本组成和原理nD DA A转换器的基本表达式转换器的基本表达式 A = UA = UR R D D A A：输出模拟信号：输出模拟信号 D D：输入数字量：输入数字量 U UR R: : 基准电压基准电压 其中：其中： 所以：所以： （2-12-1） 则则D/AD/A输出为：输出为： U Uo o = U = UR R X X （2-22-2） （2-32-3）mmnananaD2211)(2211mmRnananaUA)222(22110nnRaaaUUniiiRaU122.1 基本组成和原理基本组成和原理 将式（2-3）改写为： （2-4） 也可

2、写为： （2-5）niiiRaUU102)222(211110nnnnRaaaU)222(21111000nnnRaaaUU1022niiinRaU2.1 基本组成和原理基本组成和原理nD DA A转换器的基本工作原理转换器的基本工作原理n如图所示为并行输入四位的D/A转换器的示意图。由电阻网络、模拟切换开关、输入缓冲寄存器、基准电源和运算放大器组成。输入缓冲寄存器URS3S2S0S12R4R8R16RI3I0I1I2Ia3*8a2*4a1*2a0ARfUout+-2.1 基本组成和原理基本组成和原理由图可知：RUIR402RUIR312RUIR222RUIR1323210IIIII其在输出端

3、产生的电压输出为：3210UUUUUOUTfRRRRRaRUaRUaRUaRU)2222(31221304若 Rf = R则)2222(2332211004aaaaUUROUT2.1 基本组成和原理基本组成和原理nD DA A转换器的组成转换器的组成 n电阻网络 nDA转换器中都用到由精密电阻组成的电阻网络，电阻值按一定的规律配置；n输入数码的各支路电流与网络电阻阻值有关。因此，电阻值的精确度直接影响DA转换器的精确度；n转换精确度只决定于电阻的比值而与电阻的绝对值关系不大。 2.1 基本组成和原理基本组成和原理n模拟切换开关n精度：模拟切换开关应在断开时电阻无限大，导通时电阻无限小，即要求很

4、高的断通比值，而且力求减小开关的饱和压降、泄漏电流及导通电阻对网络输出电压的影响。n速度：工作在深饱和状态下的双极型模拟开关的导通压降很小，但开关的速度低。为了提高开关速度，应使开关工作在非饱和状态，然而这将使导通压降增大，但在权电流式DA转换器中，由于采用恒流源，将有效地减小开关压降的影响，而为非饱和型模拟开关的实际运用提供了可能性。 2.1 基本组成和原理基本组成和原理n基准源 n在DA转换器中基准电源的稳定度和精确度直接影响转换的精确度。如要求DA转换器精确到满刻度的005，则基准源的精确度至少要满足001的要求。n运算放大器 n DA转换器的输出端一般都接有运算放大器，其作用为：一方面

5、将网络中各支路电流进行总加，实现电流电压变换，另一方面为DA转换器提供一个阻抗低，负载能力强的输出。 2.1 基本组成和原理基本组成和原理n输入缓冲寄存器 n在DA转换器的输入端连接输入缓冲寄存器(或锁存器)，用以寄存某一特定的时间内数字系统的输出数码。起数据锁存作用。 2.1 基本组成和原理基本组成和原理nD/A转换器的分类n输入数值形式n并行D/A转换器nT型电阻网络D/A转换器n权电阻网络D/A转换器n串行D/A转换器n输入数码形式n补码n偏移二进制码n符号-数值码（原码）2.1 基本组成和原理基本组成和原理 数值 符号-数值码 补 码 偏移二进制码 +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 基本组成和原理基本组成和原理nD/A转换器的技术特性n静态指标n分辨率：转换器的最低位对应的输出值和满量程输出的比值。(10位D/A 的分辨率1/(210-1) )n精度n非线性误差n微分非线性误差：表示在输入数码

7、整个范围内，相邻数字之间引起的模拟跃变值的差异。2.1 基本组成和原理基本组成和原理n动态指标n建立时间-输入数字代码产生满度值的变化，模拟输出达到稳态值的时间。n环境及工作条件影响n温度系数满刻度条件下，温度每升高一度，模拟电压变化的百分比。n增益温度系数n零点温度系数n电源抑制比D/A转换器输出的电压变化跟电源电压的变化之比。2.2 T型电阻网络D/A转换器nT型电阻网络中最常见的是R2R网络，也称梯形电阻网络。这种DA转换器的结构框图如图所示。 UR2RARfU0+-RUa02RR2RRUa1R002a112aR2RRiUaRiia2.nn-1i2RRnUa2R2RRnUa12R222n

8、na112nna21R2.2 T型电阻网络D/A转换器nT型电阻网络的特点n网络各节点的等效电阻是一个恒值,在网络中，任意一个节点的等效电路都可简化如图所示的电路。由图可以看出，这三个支路的电阻皆为2R，因此，节点i的等效电阻Req为 Req=2R/3RRRR2RiiIRiUa2.2 T型电阻网络D/A转换器n各位基准电压源的负载均为3R。n从上图也可看出，若ai=1，支路内的基准电压源UR为本支路提供的电流为Ii = UR /3R，n此电流流进节点后按两路平分，各为Ii/2，n其中一路经过其他节点按2-1的等比级数衰减，流向网络输出端，在输出端负载上产生模拟电压输出。2.2 T型电阻网络D/

9、A转换器n网络输出电压U0是各位基准电压源在网络输出端产生的电压降的线性叠加。nioioUU1 例如，要单独考虑an-1UR的作用，即只有an-1=1，其它位为0，利用等效电源原理分析，可得出输出电压：RnRnUaUaU1110123231 若单独考虑an-2UR的作用，即只有an-2=1，其它位为0，用等效电源原理分析，可得出输出电压：RnRnUaUaU222022322312.2 T型电阻网络D/A转换器 同理，要单独考虑an-3UR的作用可得出输出电压：RnRnUaUaU23303232231 以此类推，可求出其它各位在网络输出端产生的压降，利用线性叠加，网络输出电压为：onoonioi

10、oUUUUU211)2222(320)1(12211nnnnRaaaaU)2222(213200112211aaaaUnnnnnR2.2 T型电阻网络D/A转换器 例：12位T型电阻网络D/A转换器。其UR = 6.144V，当输入数码XP = 000001001011时，网络的输出电压： pnRoXUU2132)21212121(21144.632013612mV75若输入数码Xp全为1，则)21212121(21144.63201101112maxoUV096.4)211(096.4122.2 T型电阻网络D/A转换器nT型电阻网络D/A转换器电路分析n12位T型电阻网络D/A转换器UR2

11、R0SR002a122R2RiSRiia2iR2R11S2R11112a1RARf=3R+-RB=3R/2Uo2.2 T型电阻网络D/A转换器n网络电阻值的确定nR=20k。各位基准电压源的等效负载电阻为3 R，即60k。基准电压为9 V，流过模拟切换开关的静态电流为：|0.153RiUImAR2.2 T型电阻网络D/A转换器n模拟切换开关n它的误差主要由导通开关的饱和压降Uces、导通电阻Ron以及截止开关的泄漏电流引起，其中Uces和Ron是主要的。112aRR2RcesucesRRUUU忽略RonRU112aRR2RonRoneqonRRRRRRUUU忽略UcesRUB）导通电阻a)饱和

12、压降2.2 T型电阻网络D/A转换器n导通开关的饱和压降Uces如Uces=lmV ，UR=6 V由Uces引起的误差为 %017.0%1006001.0RcesUU若UR增大为9 V，则0.01%cesRUU 所以，随着UR 的增加，Uces的影响减小，但是UR的增大将给模拟切换开关的良好驱动带来困难，且要降低开关速度。2.2 T型电阻网络D/A转换器n模拟开关导通电阻Ronn如Ron变化为5 ，该位等效网络电阻Req=60k，由Ron引入的误差近似为： %008. 0600005oneqonRRR 增加网络电阻阻值，可减少Ron的影响，但网络电阻值不能随意增加，因为阻值太大将使流进放大器输

13、入回路的电流很小，放大器的偏移量或开关的泄漏电流的影响增大。同时，寄生电抗也增加，这些因素将使转换器误差增大，转换速度降低。 2.2 T型电阻网络D/A转换器n运算放大器 n网络输出端接运算放大器，若反馈电阻Rf选为3R，则总的输出电压Uo为: pnifRifRXRRURRUU21320pnRXU22.2 T型电阻网络D/A转换器n基准源n在满足选定的模拟切换开关正常工作条件下，基准电压UR可取任意值。UR取值越大，越可减小由开关饱和压降和噪声引起的误差。但UR大时对开关的驱动要求严格，驱动电路复杂，转换速度慢。n基准电压不稳造成的最大偏差发生在输入数码全为1态的情况下，其表达式为: pRoM

14、AXXUU32niiinRaU022132)211 (32nRU2.3 反T型电阻网络D/A转换器nT型电阻网络D/A转换器的缺点n模拟开关要么接基准电压，要么接地，当基准电压较大时，需要复杂的开关驱动器，需要降低开关速度。n流入网络的电流随着输入数码的改变而变，产生寄生电抗导致电流的延迟，影响转换速度。2.3 反T型电阻网络D/A转换器n反T型电阻网络D/A转换器的基本结构电阻网络模拟电流开关I/2I/4I/8I/16nI 2/URI/2I/4I/8I/16nI 2/ARfUout+-LSB 输入数码 MSBn反T型电阻网络D/A转换器的原理图2.3 反T型电阻网络D/A转换器n反T型电阻网

15、络D/A转换器的优点n电阻网络中各支路电流是恒定的，不随输入数码的改变而改变，因此，大大减小了网络电阻寄生电抗对转换器动态性能的影响。n模拟切换开关只是在两个不同的地之间控制电流的流向，故可以采用模拟电流开关，以提高开关速度。 n随着输入数码的改变，网络等效电阻值不变，基准源的负载恒定，有利于基准源保持输出电压的稳定。 2.3 反T型电阻网络D/A转换器n双极性工作方式双极性工作方式n任何单极性并行DA转换器都可以改为双极性的DA转换器，但需具备正、负基准电源。电阻网络模拟电流开关I/2I/4I/8I/16nI 2/URI/2I/4I/8I/16nI 2/ARfUout+-LSB 输入数码 M

16、SBRof-URIof=-I/2符号位2.3 反T型电阻网络D/A转换器 它是在运算放大器的反相输入端加一个固定偏移电流。配置的电阻Rof在数值上使偏移电流Iof等于最高位(符号位)的电流，即：2o fII但方向相反。 这样，对应于输入数码的其他数值，网络输出电流将在+I/2-I/2之间变化，运算放大器将此电流转换成相应的电压输出。 2.4 权电阻型权电阻型DA转换器转换器n权电阻型DA转换器的工作原理 &_+RU3I2I0I1IR2R4R8RS3S2S1S0a3a2a1a0URf=R/22.4 权电阻型权电阻型DA转换器转换器n在输入数码的作用下各支路流向放大器反相端的电流总和为:

17、0123IIIII031221302222aRUaRUaRUaRURRRR)2222(2001122333aaaaRUR对于n位权电阻网络的DA转换器则有 ：)2222(2001122111aaaaRUnnnnnRI2.4 权电阻型权电阻型DA转换器转换器n如果运算放大器的反馈电阻值为R/2，则DA转换器的输出电压为：20RIU)2222(200112211aaaaUnnnnnRpnRXU2因此，模拟输出电压与输入数码Xp成正比 2.5 集成D/A转换器n10位单片CMOS DA转换器(AD7520)n基本结构和性能 n它是制作在单块硅片上的DA转换器，由十个CMOS模拟开关和做在CMOS芯片

18、上的薄膜R-2R及反T形电阻网络组成。 1S1a2S2a10S10aA10kUo+-20KUR=15V10K20K20K20K10KRFBIout1Iout2IOUT1IOUT2GNDB1B10B9B8B7B6B5B4B3B2RFBVRV+18916AD75202.5 集成D/A转换器n转换器的电路连接 n单极性的DA转换器 -+RFBIOUT1IOUT2VOAD7520161231354MSBLSB+15V14RUA15Rf2.5 集成D/A转换器其输出表达式为 ：2RRpnUUX 单极性输入数码 模拟输出 1111111111 -1023VR/10241000000001-513VR/10241000000000-VR/20000000001-VR/1024000000000002.5 集成D/A转换器n双极性的DA转换器 -+RFBIOUT1IOUT2AD7520161231354MSBLSB+15V14RUA15Rf-+VOA10K10K10M