模拟量和数字量的转换—D_A转换器(电子技术课件)

1

2 LSB
FSR
1
2
≤ 0.05%，即 ×
1
2 −1
≤ 0.05% ⇒
1
由于10位D/A转换器分辨率为 10
2 −1
的D/A转换器。
=
1
2 −1
1
1023
≤ 0.1%。
= 0.097%，故应取十位或十位以上
总结
DAC主要技术指标： VLSB 、 VFSR 、分辨率、转换速度、
转换精度
倒T形电阻网络D/A转换器
位数比较多时问题更突出。难以在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻
都有很高的精度，对制作集成电路不利且影响转换器精度。
总结
权电阻网络DAC：结构比较简单，所用电阻元件数很少。
但各个电阻阻值相差较大，尤其在输入信号位数比较多时
问题更突出，影响转换器精度。
开关树型DAC
分压器型
双积分型ADC
间接ADC
权电容网络DAC
V-F变换型ADC
总结
1. DAC：数模转换器
ADC：模数转换器
2. DAC的分类、ADC的分类
D/A转换器的应用
以AD7520为例，介绍D/A转换器的应用。
AD7520是一种10位CMOS型的D/A转换集成
芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口
1
对于n位D/A转换器，分辨率也可表示为：分辨率= 。如10位D/A转换器
2 −1
1
的分辨率为 10
2 −1
=
1
1023
≈ 0.001。DAC输入位数n越多，电路的分辨率越高。
分辨率体现D/A转换器对输入微小量变化的敏感程度。
4. 转换速度：指从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间。
D/A转换器的最大误差小于1ULSB/2。
例：某一测量仪器中有一个D/A转换器，若要求该D/A转换器的精度小于
0.05%，试问应选多少位的D/A转换器？
解：若要求D/A转换器的精度小于0.05%，即要求D/A转换器的最大误差与满量
程输出电压之比小于0.05%。而最大误差一般应低于1ULSB /2，因此有：
不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约为几微秒到几十微秒。
5. 转换精度：指实际输出值与理论计算值之差。这种差值由转换过程各种误
差引起，如基准电压不够稳定、运算放大器的零点漂移、电阻网络中电阻值
的偏差、模拟开关的导通内阻和导通压降等。
通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示转换精度。一般要求
D/A转换器：实现数模转换的电路（Digital－Analog Converter，DAC ）
模数转换：将模拟信号转换成数字信号的过程（Analog to Digital，A/D）
A/D转换器：实现模数转换的电路（Analog－Digital Converter，ADC ）
为什么要进行数模、模数转换？
现实世界
（模拟量）
A/D
D/A
数字世界
（0/1）
DAC和ADC是连接数字世界和模拟世界的桥梁，在现代信息技术中
具有举足轻重的作用。
2. ADC的分类
1. DAC的分类
权电阻网络DAC
电流求和型
倒T型电阻网络DAC
权电流型DAC
DAC
并联比较型ADC
直接ADC 逐次逼近型ADC
权电流型DAC
ADC
= /2
REF
REF
REF
REF
=
3 +
2 +
1 +
0

2
4
8
REF 3
= 3 2 3 + 22 2 + 21 1 + 20 0
2
O = − ∑
A
R
I3
S3
2R
I2
S2
4R
I1 8R
S1
I0
S0
VREF
REF 3
= − ∙ 3 2 3 + 22 2 + 21 1 + 20 0
D/A转换器的基本原理
D/A转换器：将输入的二进制数字信号转换成与输入成正比的模拟信号，
以电压或电流的形式输出。
n位二进制输入
模拟电压输出
一般的DAC基本组成包括四部分：模拟电子开关、基准电压、电阻译码
网络和求和运输放大器。
将基准电压按位权关
系加到电阻解码网络
数 码 为 1 的位 在 电 阻网
络上产生与其位权成正
R
I
AD7520内部结构框图
02
IO2
2R
A
+
uo
D0～D9：10位数据输入端
IOUT1：电流输出端1
IOUT2：电流输出端2
Rf：10kΩ反馈电阻引出端
Vcc：电源输入端
UREF：参考电压输入端
GND：地
AD7520管脚排列图
AD7520 的主要参数
参数名称
单 位
参数值
分辨率
bit
10
转换时间
当 = 00 ⋯ 00时O =0， = 11 ⋯ 11时O =
1−2
REF ，故O 的最大变
2
1−2
化范围是0~ REF 。
2
注：若VREF取正值，则输出电压为负值。若想输出电压为正值，可将VREF取负值。
权电阻网络D/A转换器优点：结构比较简单，所用电阻元件数很少。
权电阻网络D/A转换器缺点：各个电阻阻值相差较大，尤其在输入信号
总结
倒T形电阻网络DAC的工作原理：只有R、2R两种阻值
的电阻
权电阻网络D/A转换器
从低位到高位，每位的电阻是相邻高位电阻值的2倍。
电阻网络
求和电路
= /2
输出电压
i
vO
A
R
参考
电压
I3
S3
2R
I2
S2
4R
I1 8R
S1
I0
S0
电子开关
对应位输入0时开关接地，
输入1时接参考电压。
输入数字量
2 2
REF 3
= − 4 2 3 + 22 2 + 21 1 + 20 0
2
i
D3
D2
D1
D0
vO
对于n位权电阻网络D/A转换器，相应的输出为：
REF −1
O = − 2 −1 + 2−2 −2 + ⋯ + 21 1 + 20 0
2
上式表明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。

+ 0 ，
16

−∑ = − 4
2
23Байду номын сангаас3 + 22 2 + 21 1 + 20 0
对于n位倒T形电阻网络D/A转换器，相应的输出为：
REF −1
O = − 2 −1 + 2−2 −2 + ⋯ + 21 1 + 20 0
2
上式表明，输出的模拟电压与输入的数字量Dn成正比。
为了克服权电阻网络D/A转换器中电阻阻值相差太大的缺点，研制出倒
T型电阻网络D/A转换器。这种D/A转换器只有R、2R两种阻值的电阻。
输入数字量
求和电路
输出电压
电子开关
电阻网络
参考
电压
四位倒T形电阻网络DAC电路
由于求和放大器反相输入端V-为“虚地”，所以无论电子开关合到哪边，
2R电阻都相当于接“地”，故得出右图的等效电路。从AA、BB、CC、DD
总结
AD7520简介及应用（锯齿波发生器）
D/A转换器的主要技术指标
1. 最小输出电压ULSB：输入数字量最低位为1、其余各位均为0时的输出电压。
2. 满量程输出电压UFSR：输入数字量为全1时的输出电压值。
LSB
。
FSR
3. 分辨率：最小输出电压ULSB与满量程输出电压UFSR之比，即分辨率=
比的电流
DAC电路基本原理图
暂时存放输入。n
位寄存器分别控制
n个模拟开关。
将各电流求和，
并转为电压输出
总结
DAC的基本组成：电子开关、基准电压、电阻网络、求和
运输放大器
数模和模数转换概述
● D/A与A/D转换的概念
● D/A与A/D转换的作用
● DAC和ADC的分类
数模转换：将数字信号转换成模拟信号的过程（Digital to Analog，D/A）
VREF
D3
D2
D1
D0
四位权电阻网络DAC电路
流过各电阻的支路电流为多少？
= /2
i
REF
3 =
3

A
R
REF
2 =
2
2
REF
1 =
1
4
REF
0 =
0
8
I3
S3
2R
I2
S2
4R
I1 8R
S1
I0
S0
VREF
D3
D2
D1
D0
vO
∑ = 3 + 2 + 1 + 0
简单、转换控制容易、通用性好、性能价格
比高等特点得到广泛的应用。
AD7520实物图
AD7520只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，
输出端为电流输出。实际使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。
RF (R)
d8
d9
d1
d0
IO1
01
UREF
S3
S2
S1
S0
2R
2R
R
2R
R
2R
R
每个端口向左看的等效电阻都是R，因此总电流 I=VREF/R，每条支路电流依
次为I/2、I/4、I/8、I/16。
电流流入地还是运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决
定（ Di =1电流流入运放，反之流入地）。故流入运算放大器的总电流为：
∑ =


2 3

+ 2
4

+ 1
8
输出电压： =
us
1
UREF
V
–25 ~ +25
功 耗
mW
20
应用举例：AD7520组成锯齿波发生器
AD7520组成的锯齿波发生器
AD7520组成的锯齿波发送器产生的波形
10位二进制加法计数器的输出从全0加到全1，电路的模拟输出电压uo将由
0V增加到最大值。
如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。