数电数模转换器

能将数字信号转换成模拟信号的电路，称为数/模转换器，简称D/A转换器。能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模/数转换器，简称A/D转换器。——沟通模拟电路与数字电路的桥梁，是计算机和许多电子系统中不可或缺的接口电路。完整的电子系统通常是模拟－数字混合系统。3、D/A和A/D转换器的功用2、D/A和A/D转换器＊1当前第1页\共有36页\编于星期日\2点(1)自动控制系统被控物理量传感器模拟信号A/D转换器数字信号DSPD/A转换器模拟信号驱动执行机构(2)数字测量仪表数字信号处理衰减器或放大器被测物理量传感器模拟信号A/D转换器数字信号计数译码显示＊2当前第2页\共有36页\编于星期日\2点(3)数据传输系统接收端：发送端：＊3当前第3页\共有36页\编于星期日\2点§8.2D/A转换器一、实现D/A转换的基本思路：∵数字量是用代码按数位组合起来表示的，每位代码都有一定的权（有权码），∴要把数字量转换成与之成正比的模拟量，2)将每一位数字量转换成的模拟量相加。即可得到与数字量成正比的总模拟量。必须：1)用一个解码网络来分配各位的权，将每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量；§8.2.1D/A转换的基本原理＊4当前第4页\共有36页\编于星期日\2点二、n位D/A转换器的方框图：n位数字量输入数码寄存器n位模拟开关解码网络求和电路模拟量输出基准电压三、D/A转换器的分类：按解码网络的结构分权电阻网络型T形电阻网络型倒T形电阻网络型权电流型权电容网络型开关树型＊5当前第5页\共有36页\编于星期日\2点按模拟电子开关分CMOS开关D/A转换器双极型开关D/A转换器电流开关型ECL电流开关型非饱和型高速数字集成电路转换速度较低转换速度较高8.2.3倒T形电阻网络型D/A转换器一、原理电路（以4位D/A转换器为例）介绍预备知识：集成运算放大器的线性运用

运算放大器:具有高输入阻抗、低输出阻抗、高增益、低漂移的直耦式多级放大器。＊6当前第6页\共有36页\编于星期日\2点C+－vIPvINvO同相输入端反相输入端idvd集成运放线性运用时的两个重要法则：1、虚短：两输入端的电位差为零。即：vd

=

vIP-vIN=02、虚断：流入两输入端的电流为零。即：id=0∵

id=0→iF=

i1∵vP

=vN=0→∴vO=-iFRFC+－vIvOR1RFi1iFvPvN••idvd＊7当前第7页\共有36页\编于星期日\2点10.1.2D0~D3:待转换的数字信号；vo:模拟电压输出；R-2R：组成倒T型电阻解码网络；+VREF:基准电压；S0~S3:受Di控制的模拟开关，当Di=1时，Si打向右侧，与运放A的反相输入端相连；当Di=0时，Si打向左侧，与运放A的同相输入端相连；运放A:组成求和及电流-电压转换电路(外接)。P257图8-2-4＊8当前第8页\共有36页\编于星期日\2点AA′BB′CC′DD′1、根据运放A线性运用时的虚短（现为虚地）法则，无论Si打向何处，与之相连的2R电阻均接“地”；即流经2R电阻的电流与Si的位置无关。2、则从D、C、B、A向左看的二端网络的等效电阻均为R。二、工作原理：则，从基准电压源提供的总电流I=VREF/R；＊9当前第9页\共有36页\编于星期日\2点AA′BB′CC′DD′3、流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。即：流入各开关支路的电流（从右至左）分别为I/2、I/4、I/8、I/16。4、总电流为5、输出模拟电压为＊10当前第10页\共有36页\编于星期日\2点6、将输入数字量扩展到n位，则，倒T型电阻网络D/A转换器输出模拟量与输入数字量的一般关系式为：其中——n位二进制数对应的十进制数vo∝NB若取Rf=R，则＊——比例系数11当前第11页\共有36页\编于星期日\2点1、各支路电流直接流入运放的输入端，之间不存在传输上的时间差，所以转换速度较快；2、模拟开关在地-地之间转换，减少了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。常用集成电路有：AD7520（10位）、AD7533（10位）等＊三、倒T形电阻网络型D/A转换器的特点——是目前广泛应用的转换速度较快的D/A转换器12当前第12页\共有36页\编于星期日\2点AD7533D/A转换器使用:1)要外接运放，2)运放的反馈电阻可使用内部电阻，也可采用外接电阻10位CMOS电流开关型D/A转换器＊取Rf=R时若用不完10位，则多余的高位输入端Di要全部接地！13当前第13页\共有36页\编于星期日\2点四、CMOS模拟开关电路(不讲)T1～T3：电平移动电路，使输入端可与TTL电平兼容，T4～T5和T6～T7组成两个反相器，分别作为模拟开关管T8～T9的驱动电路；T8～T9构成单刀双掷开关。附带提醒：若实际输入数字量少于10位，对多余输入端如何处理？100101增强型P型沟道增强型N型沟道增强型N型沟道多余的高位输入端全部接地！＊14当前第14页\共有36页\编于星期日\2点五、为提高转换精度，对电路参数的要求（1）基准电压的稳定性要好；（2）倒T形电阻网络中R和2R阻值比值的精度要高；（3）每个模拟开关的开关电压降要相等；（4）模拟开关的导通电阻应按2的整数倍递增。倒T形电阻网络型D/A转换器对元件参数要求高！＊15当前第15页\共有36页\编于星期日\2点8.2.4权电流型D/A转换器（P259图8-2-6）用一组恒流源代替倒T形电阻网络，恒流源从高位到低位依次为I/2、I/4、I/8、I/16。则，各支路权电流的大小不受开关导通电阻和压降的影响，即降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。＊MSBLSB16当前第16页\共有36页\编于星期日\2点8.2.4权电流型D/A转换器（P259图8-2-6）＊MSBLSB17当前第17页\共有36页\编于星期日\2点实际的权电流D/A转换器电路电压恒定各BJT的发射结电压相等基准电流产生电路+多发射极三极管＊18当前第18页\共有36页\编于星期日\2点8.2.5D/A转换器的输出方式一、单极性输出:若输入二进制数的每一位都是数字位，即均为正数，输出模拟电压为0V~±满度值。则，选择不同的电路形式或不同的参考电压极性即可实现。1、反相电压输出vo=－i∑Rf倒T型电阻网络D/A......D0D1Dn-1VREFRfvo＋－AI∑••＊19当前第19页\共有36页\编于星期日\2点2、同相电压输出vo=i∑R（1+R2/R1）8位单极性输出D/A的输入/输出关系见P261表8-2-1I∑倒T型电阻网络D/A......D0D1Dn-1VREFR2vo＋－AR1R●●●●＊20当前第20页\共有36页\编于星期日\2点表8-2-18位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系000000001000000011111110000000011000000111111111模拟量

数字量MSBLSB••••••••••••＊21当前第21页\共有36页\编于星期日\2点输入的数字量有正负极性，则输出的模拟电压也有正负极性，即从－满度值~+满度值。双极性D/A转换常用的编码方式有：2的补码、偏移二进制码、符号-数值码等二、双极性输出在二进制算术运算中，通常把带符号的数值表示为补码的形式，故介绍输入为2的补码的正负数转换为正负极性的模拟电压输出的情况。P261表8-2-2列出了8位2的补码、偏移二进制码与输出模拟量之间的关系1、偏移二进制码：＊22当前第22页\共有36页\编于星期日\2点十进制数2的补码D7D6D5D4D3D2D1D0偏移二进制码D7D6D5D4D3D2D1D0模拟量vO/VLSB1270111111111111111127126011111101111111012610000000110000000000-111111111-1-12710000001-127-12810000000-128••••••••••••1000000110000000011111110000000100000000••••••表8-2-2常用双极性编码注:其中VLSB=VREF/256注意0值代码的区别！＊23当前第23页\共有36页\编于星期日\2点注意:n位2的补码只有n-1位数值码，最高位是符号位。符号位为0，表示正数，正数和0的补码与原码相同！符号位为1，表示负数，负数的补码为反码加1。什么是偏移二进制码？则，偏移后的数中，只有大于128的才是正数，而小于128的数为负数。比较表8-2-2可知，8位偏移二进制码是把8位二进制补码对应的模拟量的零值偏移至80H。即每个二进制码加80H，即27。80H是十六进制数，等于16×8=128=27=10000000B若是n位二进制码，则是偏移2n-1，并舍弃进位。最简的偏移方法：将2的补码的符号位求反！？＊24当前第24页\共有36页\编于星期日\2点(1)首先将n位2的补码NB转换为n位偏移二进制码；(2)将n位偏移二进制码作为单极性D/A转换器的输入；(3)从单极性D/A转换器的输出电压中减去偏移量对应的模拟电压3、双极性输出的D/A转换器电路:运放A2组成反相求和电路,2、将2的补码转换为双极性模拟电压的方法：8位倒T型电阻网络D/AVREFD7D6D5…….D0(补码)NBRf=R2R1R1R1i∑v1voA1A2－－++•••••＊25当前第25页\共有36页\编于星期日\2点8位倒T型电阻网络D/AVREFD7D6D5…….D0NBRf=R2R1R1R1i∑v1voA1A2++－－•••••＊26当前第26页\共有36页\编于星期日\2点8.2.6D/A转换器的主要性能指标一、转换精度1、分辨率：用于表征D/A转换器对输入量微小变化的敏感程度，定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。n位DAC最多有2n个模拟输出电压。位数越多D/A转换器的分辨率越高。分辨率也可以用能分辨的最小输出电压与最大输出电压之比给出。n位D/A转换器的分辨率的理论精度可表示为27当前第27页\共有36页\编于星期日\2点(1)比例系数误差——基准电压偏离标准值引起的误差。比例系数误差实际理想＊2、转换误差：指对给定的数字量，D/A转换器实际值与理论值之间的最大偏差。

产生原因：由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，如基准电压不够稳定或运算放大器的零漂等各种因素的影响。几种转换误差：比例系数误差、失调误差、非线性误差等28当前第28页\共有36页\编于星期日\2点(2)失调误差——由集成运放的零漂等引起的误差。(3)非线性误差——因素较多（如：解码网络的模拟开关的导通压降、导通电阻不同等）失调或漂移误差理想实际非线性误差＊29当前第29页\共有36页\编于星期日\2点1、D/A转换器的建立时间(tset)二、D/A转换器的转换速度

输入数字量NB从全0转到全1时，输出电压达到规定的误差范围(±LSB/2)时所需的时间。＊30当前第30页\共有36页\编于星期日\2点结论：要获得高精度D/A转换器，不仅要选择位数较多的高分辨率D/A转换器，还要选用高稳定度的基准电压和低零漂的集成运放与之配合。2、转换速率(SR)在大信号工作状态下，用模拟电压的变化率来表示。＊31当前第31页\共有36页\编于星期日\2点8.2.7集成D/A转换器的应用(1)数字式可编程增益控制电路

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转换器与集成运放接成反相比例放大器；c.有