数字模拟转换器

VREF 所以，流过 D i 位权电阻的电流为 I i = n −1 × 2 i × D i 2 R
根据叠加原理：
n −1 n −1
V REF ⎛ V REF ⎞ i i ∑ = ∑ I i＝ ∑ ⎜ n −1 × 2 × D i ⎟ = n −1 R ⎠ 2 R i=0 i=0 ⎝ 2
∑ (D
i=0
正的零点偏移 负的零点偏移
O 输入D 最大数字量 (数字量)
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零点漂移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漂移误差。 放大器工作环境的温度变化，使得零点漂移误差成为 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
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
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模拟开关的导通内阻和导通压降以及电阻网络中电阻 的偏差引起的误差称为非线性误差 非线性误差有时导致转换特性局部非单调性，从而引 起系统不稳定。
２）工作原理
注意到电路结构的特点，任意节点（A、B和C等）向右 看，等效电阻都为2R。又由于运算放大器输入端Σ点是 虚地（该点电位总是近似为零），有：
I I I I V D 3 + D 2 + D1 + 其中 I = REF D0 2 4 8 16 R V 所以： i ∑ = REF 2 3 D 3 + 2 2 D 2 + 2 1 D 1 + 2 0 D 0 24 R 输出电压为： v O = − i F R F = − i ∑ R F = i∑ =
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（3）转换精度
DAC的转换精度是指输出模拟电压的实际值与理论值 之间的差值。转换精度和分辨率是两个不同的概念 。 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。
…
D/A
输出
D/A转换器一般包括以下几个主要部分：
权电阻网络； 求和放大器； 精密参考电压源VREF； 模拟开关 数字信号输入控制和锁存电路。
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DAC的转换特性
理想的D/A转换器的转换 特性，应是输出模拟量 与输入数字量成正比。 即：输出模拟电压 uo = Ku×D， 或：输出模拟电流 io = Ki×D。
D2 VREF D1 D0
S2 I R
S1 2R
S0 4R
RF =
R 2
i iB
RB
iΣ
Σ
uO
VB(=-VREF)
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二、R-2R倒T形电阻网络DAC
1）电路结构 由若干个相同的R、2R网络（节）组成，每节对应于一个 输入比特，节与节之间串接成倒T形网络。
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4）双极性输出结构
在单极性输出DAC的基础上，增加由VB和RB组成的偏移 电路，即可实现双极性输出。通常VB=- VREF 。
⎡ VREF n −1 − VB ⎤ i uO = − i∑ × RF = − (i − iB ) × RF = − ⎢ n −1 ∑ (Di × 2 ) − ⎥ × RF RB ⎦ ⎣ 2 R i =0
(
)
−
V REF R F 24 R
(2 3 D 3 + 2 2 D 2 + 2 1 D 1 + 2 0 D 0 )
n −1 i=0
DAC 为 n位时： v O = −
V REF R F 2n R
∑ Di × 2 i
转换比例系数
输入数字量
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数 字 寄 存 器
VREF
S3 I3 R
S2 I2 2R
S1 I1
S0 22R I0 23R
iF RF
Σ
iΣ
vO
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２）工作原理
运算放大器的 Σ 点是虚地，该点电位总是近似为零。对 于输入二进制数中的任意一位Di 有：
若 D i = 0，流过该位权电阻的电 流为 I i = 0; VREF 若 D i = 1，流过该位权电阻的电 流为 I i = n −1−i 。 2 R
输出A (模拟量) 理想直线 FSR 最大正误差 实际曲线
最大负误差 O 输入D 最大数字量 (数字量)
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B）零点漂移误差
DAC内部运算放大器的零点漂移引起的误差称为零点漂 移误差或偏移误差。
输出A (模拟量) 实际曲线 FSR 理想直线 实际曲线
∑ (D
i=0
n −1
i
× 2i )
输入数字量
转换比例系数k
3）特点讨论
优点：电路简单，元件少。DAC的转换精度取决于基准电 压VREF以及模拟开关、运放和各电阻值的精度。 缺点：各支路的电阻阻值各不相同，差异大，对各权值电 阻的精度要求也不同，芯片制作困难。除了少数低 分辨率的BCD码D/A转换芯片外，这种类型的DAC 电路很少有实际应用。
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。
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三、权电流型D/A转换器 1）电路结构
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2）恒流源电路
改变REi，从而获得不同的恒流源。
问题：
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REi，又给芯片实现带来困难。怎么办？
uO/ku，或iO/ki
15 13 11 9 7 5 3 1 0 0000 1101 0011 0110 1001 1100 1111 D
1 LSB FSR
其中Ku或Ki为电压或 电流转换比例系数，D为输入二进制数所代表的十进制 数。以模拟电压输出为例：
uo = K u(d n −1 ⋅ 2 n −1 + d n −2 ⋅ 2 n −2 + L + d 1 ⋅ 2 1 + d 0 ⋅ 2 0 )
1 1 = ≈ 0.001 = 0.1% 10 2 − 1 1023
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（2）转换速度
用完成一次转换所需的时间— 建立时间tset—来衡量。 建立时间tset ：从输入信号变 化开始到输出电压进入与稳态 值相差±1/2LSB（ Least Significant Bit ）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VFSR满 量程）所需的时间最长。这个时间就是建立时间。 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。
n −1
i
× 2i )
运放的输入已经实现了数字信号到模拟电流输出的转换！
Hale Waihona Puke Baidu
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由于运算放大器的输入偏置电流近似为０，所以：i∑ = i F
又由于 i F = (0 − v O ) / R F = − v O / R F， 所以输出电压为： V REF R F v O = − i F R F = − i ∑ R F = − n −1 2 R
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C）增益误差：
由运算放大器增益不稳定，或者精密参考电压源VREF不 稳定造成的一种线性误差，也称比例系数误差。 增益误差随输入增 加而增大，但是相 对误差基本不变。 增益校准可以暂时 消除增益误差。但 是增益误差随温度 变化而改变。 事实上，转换误差是 以上几种误差之和。
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DAC的主要技术指标（以二进制为例）
（1）分辨率 分辨率用输入二进制数的有效比特数表示。在分 辨率为n 比特的DAC中，输出电压能区分2n个不 同的输入二进制代码状态，能给出2n个不同等级 的输出模拟电压。 分辨率也可以用D/A转换器的最小输出电压与最 大输出电压的比值来表示。10比特D/A转换器的 分辨率为：
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上述转换方法的主要缺点——速度太慢。 集成D/A转换器大都是基于电阻网络和模拟开关的。为了 更好地了解DAC的工作原理，首先介绍：
一、权电阻网络型DAC
1）电路结构
D3 D2 D1 D0 Di= 0，Si接地 Di= 1，Si接VREF
D3 D2 D1 D0 RF
iΣ Σ
iF
vO
S3 I/2 I 2R I/2
●
S2 I/4
R
S1 2R I/4
● ●
S0 2R A I/16 I/8
R
I/8
R
2R
2R
I/16
VREF
●
D
C
B
4比特R-2R倒T形电阻网络DAC
Di= 0，Si接地 Di= 1，Si接左侧
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D/A转换基本原理
将输入的数字编码（dn-1…d1d0），按其权值大小转换 成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所 得的总模拟量与数字量成正比，即实现了从数字量到 模拟量的转换。
d0 d1 输入 dn －1 uo 或 io
FSR 输出A (模拟量) 实际曲线 理想直线 实际曲线
O
输入D 最大数字量 (数字量)
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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）是用脉冲宽度表示信号的幅度。 PDM信号也是一种模拟信号，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。
第三章 数字模拟转换器
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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
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3.1 概述
将数字信号转换为模拟信号的过程称为数模转换 （Digital to Analog），或称D/A转换。能够完成这 种转换的电路称为数模转换器（ Digital Analog Converter），简称DAC。 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！ DAC不仅是模拟量输出通道中最主要的装置，而且在 许多反馈型ADC中，DAC是影响ADC性能的最重要 部件之一。