第九章 数模与模数转换电路

第九章 数模与模数转换电路第三十讲 教学内容：①D/A 转换电路及工作原理；②D/A 转换 器的主要技术指标；③熟练掌握 集成 D/A 转换 器 DAC 0832 的应用。

教学要求：①了解 D/A 转换的工作原理；②掌握 D/A 转换 器的主要技术指标；③熟练掌握 集成 D/A 转换 器 DAC 0832 的应用。

教学难点：权电阻D/A 转换器、倒T 型D/A 转换器的电路结构特点、工作原理及其主要技术参数，逐次逼近型A/D 转换器、双积分型A/D 转换器的电路结构特点、工作原理。

随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。

由于系统的实际处理对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将其转换成为相应的模拟信号才能为执行机构所接收。

这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路和数模转换电路。

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）；而将能把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），A/D 转换器和D/A 转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

在本章中，将介绍几种常用A/D 与D/A 转换器的电路结构、工作原理及其应用。

9.1 D/A 转换器一． D/A 转换器的基本原理数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。

为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。

这就是构成D/A 转换器的基本思路。

图9.1—1所示是D/A 转换器的输入、输出关系框图，D 0～D n-1是输入的n 位二进制数，v o 是与输入二进制数成比例的输出电压。

图9.1—2所示是一个输入为3位二进制数时D/A 转换器的转换特性，它具体而形象地反映了D/A 转换器的基本功能。

1234567001010011100101110111D/A转换器D D D 01n-1...v o输入输出v o /VD 000图9.1—1 D/A 转换器的输入、输出关系框图 图9.1—2 3位D/A 转换器的转换特性二． 倒T 形电阻网络D/A 转换器在单片集成D/A 转换器中，使用最多的是倒T 形电阻网络D/A 转换器。

四位倒T 形电阻网络D/A 转换器的原理图如图9.1—3所示。

S 0～S 3为模拟开关，R —2R 电阻解码网络呈倒T 形，运算放大器A 构成求和电路。

S i由输入数码D i 控制，当D i =1时，S i 接运放反相输入端（“虚地”），I i 流入求和电路；当D i =0时，S i 将电阻2R 接地。

无论模拟开关S i 处于何种位置，与S i 相连的2R 电阻均等效接“地”（地或虚地）。

这样流经2R 电阻的电流与开关位置无关，为确定值。

分析R —2R 电阻解码网络不难发现，从每个接点向左看的二端网络等效电阻均为R ，流入每个2R 电阻的电流从高位到低位按2的整倍数递减。

设由基准电压源提供的总电流为I （I =V REF /R ），则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I /2、I /4、I /8和I /16。

R o1684I I I I 2图9.1—3 倒T 形电阻网络D/A 转换器于是可得总电流)2(2)2222(30413223140i i i REF REF D R VD D D D R V i ⋅⨯=+++=∑=∑ （9.1.1）输出电压)2(234ii i R E F f fO D V RR R i v ⋅⋅-=-=∑=∑ （9.1.2）将输入数字量扩展到n 位，可得n 位倒T 形电阻网络D/A 转换器输出模拟量与输入数字量之间的一般关系式如下：)]2([210i n i i n REF f O D V R R v ⋅⋅-=∑-=设 K =n REFfV RR 2⋅，N B 表示括号中的n 位二进制数，则：v O =－KN B要使D/A 转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求：（1）基准电压稳定性好；（2）倒T 形电阻网络中R 和2R 电阻的比值精度要高； （3）每个模拟开关的开关电压降要相等。

为实现电流从高位到低位按2的整倍数递减，模拟开关的导通电阻也相应地按2的整倍数递增。

由于在倒T 形电阻网络D/A 转换器中，各支路电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差。

电路的这一特点不仅提高了转换速度，而且也减少了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。

它是目前广泛使用的D/A 转换器中速度较快的一种。

常用的CMOS 开关倒T 形电阻网络D/A 转换器的集成电路有AD7520（10位）、DAC1210（12位）和AK7546（16位高精度）等。

三． 权电流型D/A 转换器尽管倒T 形电阻网络D/A 转换器具有较高的转换速度，但由于电路中存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。

为进一步提高D/A 转换器的转换精度，可采用权电流型D/A 转换器。

1．原理电路。

这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为I /2、I /4、I /8、I/16。

R oV图9.1—4 权电流型D/A 转换器的原理电路当输入数字量的某一位代码D i =1时，开关S i 接运算放大器的反相输入端，相应的权电流流入求和电路；当D i =0时，开关S i 接地。

分析该电路可得出ii i f f f fO D R ID D D D R ID I D I D I D I R R i v 22)2222(2)16842(3040011223340123⋅⋅=⋅+⋅+⋅+⋅⋅=+++==∑=∑ （9.1.5）采用了恒流源电路之后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。

2．采用具有电流负反馈的BJT 恒流源电路的权电流D/A 转换器为了消除因各BJT 发射极电压V BE 的不一致性对D/A 转换器精度的影响，图中T 3～T 0均采用了多发射极晶体管，其发射极个数是8、4、2、1，即T 3～T 0发射极面积之比为8:4:2:1。

这样，在各BJT 电流比值为8:4:2:1的情况下，T 3～T 0的发射极电流密度相等，可使各发射结电压V BE 相同。

由于T 3～T 0的基极电压相同，所以它们的发射极e 3、e 2、e 1、e 0就为等电位点。

在计算各支路电流时将它们等效连接后，可看出倒T 形电阻网络与图9.1—3中工作状态完全相同，流入每个2R 电阻的电流从高位到低位依次减少1/2，各支路中电流分配比例满足8:4:2:1的要求。

R oREFV图9.1—5 权电流D/A 转换器的实际电路基准电流I REF 产生电路由运算放大器A 2、R 1、T r 、R 和－V EE 组成，A 2和R 1、T r 的cb 结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即T r 的基极电压。

T r 的cb 结，电阻R 到－V EE 为反馈电路的负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短的原理，其基准电流为：312E REF REF I R VI ==由倒T 形电阻网络分析可知，I E3=I /2，I E2=I /4，I E1=I /8，I E0=I /16，于是可得输出电压为：)2222(20011223314⋅+⋅+⋅+⋅==∑D D D D R V R R i v REF f fO可推得n 位倒T 形权电流D/A 转换器的输出电压in i i n f REF O D R R V v 22101⋅⋅=∑-=该电路特点为，基准电流仅与基准电压V REF 和电阻R 1有关，而与BJT 、R 、2R 电阻无关。

这样，电路降低了对BJT 参数及R 、2R 取值的要求，对于集成化十分有利。

由于在这种权电流D/A 转换器中采用了高速电子开关，电路还具有较高的转换速度。

采用这种权电流型D/A 转换电路生产的单片集成D/A 转换器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。

这些器件都采用双极型工艺制作，工作速度较高。

四． 权电流型D/A 转换器应用举例图9.1—6 是权电流型D/A 转换器DAC0808的电路结构框图，图中D 0～D 7是8位V R—V R+EEO（LSB ）（MSB ）图9.1—6 权电流型D/A 转换器DAC0808的电路结构框图数字量输入端，I O 是求和电流的输出端。

V REF+和V REF —接基准电流发生电路中运算放大器的反相输入端和同相输入端。

COMP 供外接补偿电容之用。

VCC 和VEE 为正负电源输入端。

用DAC0808这类器件构成的D/A 转换器时需要外接运算放大器和产生基准电流用的电阻R 1，如图9.1—7所示。

D D D D D D D D 01234567OEE =-15V（LSB ）（MSB ）图9.1—7 DAC0808 D/A 转换器的典型应用在V REF =10V 、R 1=5k Ω、R f =5k Ω的情况下，根据式（9.1.7）可知输出电压为∑∑==⋅=⋅=708718221022i ii i ii REF f O D D R V R v当输入的数字量在全0和全1之间变化时，输出模拟电压的变化范围为0～9.96V 。

五． D/A 转换器的主要技术指标 1. 转换精度D/A 转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。

（1）分辨率——D/A 转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。

输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率越高。

在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A 转换器的分辨率。

此外，D/A 转换器也可以用能分辨的最小输出电压（此时输入的数字代码只有最低有效位为1，其余各位都是0）与最大输出电压（此时输入的数字代码各有效位全为1）之比给出。

N 位D/A 转换器的分辨率可表示为121-n 。

它表示D/A 转换器在理论上可以达到的精度。

（2）转换误差转换误差的来源很多，转换器中各元件参数值的误差，基准电源不够稳定和运算放大器的零漂 的影响等。

D/A 转换器的绝对误差（或绝对精度）是指输入端加入最大数字量（全1）时，D/A 转换器的理论值与实际值之差。

该误差值应低于LSB/2。

例如，一个8位的D/A 转换器，对应最大数字量（FFH ）的模拟理论输出值为REF 256255V ,LSB 21=REF 5121V 所以实际值不应超过REF)5121256255(V ± 。