数字模拟转换器

数字模拟转换器

本章内容3.1 概述

3.2 DAC的工作原理

3.3 典型DAC芯片及应用举例

3.1 概述

DAC通常包括（但不限于）以下几个组成部分： 电阻网络 模拟开关

运算放大器 精密参考电压源

❒DAC不仅是模拟量输出通道中最主要装置，而且在许多反馈型ADC中，DAC也是其中的重要组成部分，对ADC性能有着至关重要的影响。

❒需要指出的是：DAC输出的只是时间上的连续信号。对于n比特二进制数字输入，DAC输出信号幅度只有2n个取值可能，其波形为阶梯信号，不是严格意义上的模拟信号！

❒D/A转换基本原理

❒DAC的转换特性u O/ku，或i O/ki

DAC的主要技术指标（以二进制为例）

（2）转换速度

用完成一次转换所需的时间—建

立时间t set—来衡量。

建立时间t set（settled）：从

输入信号变化开始到输出电压进

入与稳态值相差±1/2 LSB 范围

以内的时间。

输入信号由最小（全为0）变为最大（全为1，对应V

满

FSR

的测量条件。

量程）时，所需的时间最长，这是t

set

评价转换速度的另外一个指标是：在单位时间内，DAC可以完成转换的最大次数。

（3）转换精度

☐输出模拟电压实际值与理论值之间的差值

☐转换误差的表示形式主要有：

最低有效位的倍数。如：1 LSB、0.2 LSB

输出电压满度值FSR的百分数，如：0.1％FSR

☐DAC执行转换任务的四个部件均可引起转换误差，但具有不同的特点。

☐注意：权电阻网络和模拟开关均集成在DAC内部；

但有些D/A转换电路中的求和放大器和参考电源为

外接。

A）非线性误差

B）零点失调误差

❒零点失调误差可通过放大器的零点校准进行消除。但是由于半导体材料的温度特性，静态的零点校准方法无法在整个温度范围内消除零点失调误差。

❒放大器工作环境的温度变化，使得零点失调误差成为影响精度的主要因素。因此这种误差又称为温度漂移误差，简称温飘或漂移。

❒思考：怎样克服？

❒在放大器工作过程中，如果能够不断地对实际温飘进行动态测量，并利用负反馈技术对零点进行动态地自适应校准（补偿），从而使放大器始终工作在无漂移误差状态。

——自动零点补偿（AZ）技术

C）增益误差：

3.2 DAC的工作原理

❒有多种方式可以实现D/A转换，例如：

❒脉冲宽度调制信号PDM或PWM（Pulse-Duration or

Width Modulation）用脉冲宽度表示信号的幅度，也是一种模拟信号，在许多领域有着广泛的用途。

❒使用可编程定时器/计数器（如Intel 8253/ 8254），可以很方便地将数字信号转换成PDM信号。许多单片机

本身就带有PDM信号输出端口。

❒若将PDM信号再转换成脉冲幅度调制信号PAM

（Pulse Amplitude Modulation），PAM信号经过低通滤波以后就形成连续时间信号。有多种电路可以实现

PDM到PAM的变换。

❒上述转换方法的主要缺点——速度太慢！

２）工作原理

由于运算放大器的输入偏置电流近似为０，所以：F

i i

4）双极性输出结构

二、R-2R T形电阻网络DAC

２）工作原理

3）特点讨论

☺模拟开关Si不论接何位置，都相当于接地。由于各个电阻两端的电压和流过的电流都不随开关的掷向而改变，不存在对网络（芯片）中寄生电容的充、放电现象，因而工作速度和转换精度都有所提高。

☺由于只使用两种阻值的电阻，因此电阻的精度容易保证，芯片制造简单。

☹无论是权电阻网络DAC还是倒T形电阻网络DAC，模拟开关总存在一定的导通电阻和导通压降，而且在实际芯片中，每个开关的情况又不完全相同，所以它们的存在无疑会引起转换误差，影响转换精度。

思考：引入恒流源电路，消除电阻分压现象。

三、权电流型D/A转换器

2）恒流源电路

，从而获得不同的恒流源。

Ei

电路中有多个数值差异很大的恒流源，需要多个数值

差异也很大的R Ei，又给芯片实现带来困难。怎么办？

3）改进

I/2I/4I/8I/16

I/2I/4I/8I/16

I/16

四、具有双极性输出的D/A转换器

偏移电路符号取反

其中：反相器G完成符号位的取反；R

B 和V

B

组成偏移电路。

为使输入为100时的输出电压等于零，需使下式成立：电路实现：

五、Sigma-delta调制型D/A转换器简介

❒数字音频的普及，迫切需要大量和廉价的高分辨率DAC。此外，资源勘探、医学影像和防务电子设备对精密DAC都有旺盛的需求。

❒IC制造遇到的问题：数字易，模拟难。奈奎斯特型DAC 难以实现16bit以上分辨率。

❒解决之道：尽可能用数字取代模拟。Σ-Δ型DAC的关键技术：过采样+噪声整形。（原理将在下一章介绍）

❒优点：制造简单，匹配容易，高精度

❒缺点：输出有时延

❒主要生产厂商：TI、ADI、NEC、Motorola…

3.3 典型DAC芯片及应用举例

N 型DIP16封装管脚图一、DAC0808（DAC08、DAC080N ）

（1）特点和主要技术指标：

•

权电流转换方式，双极型电路•

高速互补电流输出•

建立时间：70~85 ns •

最大摆率(dI/dt )：8mA/μs •

满量程电流校准：±1 LSB •

TTL, CMOS, ECL, HTL, PMOS 电平接口•

全温度范围内非线性误差小于0.1% •

FSR 电流温飘：±10ppm / ºC •

电源电压范围：±4.5 V to ±18 V •低功耗：35 mW at ±5 V DAC0808