《数字电子技术基础》第11章_数模与模数转换讲解

推广到一般情况，n位权电流型DAC的输出电压为
数模转换器：将数字信号转换为模拟信号的电路。
转换原理框图：寄存器、开关网络、解码网络、基准电源
存储输入 数字量
要求VREF很稳定
在稳定的基准电 压激励下产生与 数字量和基准电 压成正比的电压 或电流
电阻、电容等电路
n位数字量分别控制n个 模拟电子开关的通断
对每一次确定的数字量输入，解码网 络和开关网络组成相应的线性电路
11.2.1 倒T形电阻网络DAC
1．工作原理
来自输入或寄存器
开关网络
电流电 虚地！ 压变换
R-2R电阻网络
每个节点i对地的 等效电阻为R
I VREF R
并联电阻上 为权电流!
IO1
D3
I 2
D2
I 4
D1
I 8
D0
I 16
vO
Rf
I O1
Rf R
VREF 24
41
2i Di
i0
Hale Waihona Puke Baidu
I 24
(23 D3 22 D2
21 D1 20 D0 )
I 24
41
2i Di
i0
11.2.1 倒T形电阻网络DAC
1．工作原理
来自输入或寄存器
vO
Rf R
VREF 24
41
2i Di
i0
开关网络
R-2R电阻网络
每个节点i的等 效电阻为R
vO
Rf R
VREF 2n
n1
2i Di
i0
K
BZ
n1
BZ 2i Di i0
根据变换网络的结构，DAC分为倒T形电阻网络DAC、权
电流型DAC、T形电阻网络DAC、权电阻网络DAC、权电容网
络DAC和开关树型DAC。 本节介绍倒T形电阻网络DAC和权电流型DAC。
11.2数模转换器(DAC)
11.2.1 倒T形电阻网络DAC 11.2.2 权电流型DAC *11.2.3 DAC的双极性输出 11.2.4 DAC的主要技术指标
第11章 数模与模数转换器
将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器 （DAC—Digital to Analog Converter），而将模拟 信号转换为数字信号的电路则称为模数转换器(ADC-Analog to Digital Converter)。
DAC和ADC是数字电路和模拟电路之间的接口电 路。
K
LSB
VREF 210
5 210
4.88mV
11.2.2 权电流型DAC
在倒T形电阻网络DAC中，模拟电子开关使得电阻网络不能 准确地按R-2R构成，导致并联电阻的电流偏离权电流值（I/2、 I/4、I/8、I/16、…），使输出产生误差。
用多发射结晶体管使每 个发射结的电流相等。
用多路电流源产生准 确的权电流，形成权 电流型DAC。
K
Rf R
VREF 2n
电流电 虚地！ 压变换
I VREF R
并联电阻上 为权电流!
BZ是n位自然二进制数（>0） 输出电压是单极性的。
K是1个单位数字量对应的 电压的绝对值，称为单位 电压，常记为LSB。
单刀双置开关可以用双极型三极管或MOS管实现。
PN A
如果Di=1，TN1导通，TN2截止，固定端A与N(与运放的反 相端)相连；
11.2.2 权电流型DAC
三极管TR、T3、T2、T1、T0和TC的射极电位相等（VE）， 它们的射极到负电源（-VEE）间的等效电阻依次为R、2R、4R、 8R、 16R （按2n递增的电阻称为权电阻）。
以T2的发射极等效 电阻为例说明。
基准电流 I VREF R
同理,可计 算其他晶体 管射极到VEE的等效 电阻。
11.1 数模和模数转换的作用
11.2 数模转换器(DAC)
11.3 模数转换器(ADC)
11.1 数模和模数转换的作用
模拟子系统
工业控制系统框图示例
电 量
变 换 器
防
模
混
数
低
转
数 字
数 模 转
非 电 量
传 感 器
通 滤 波
换 器
器
处 理 子 系
换 器
统
模拟子系统
重
模
构
拟
低
执
通
行
滤
机
波
构
器
数字量或 开关量
生产过程中 的物理量
数字执 行机构 工业控制计算（IPC）、单片机、数字信号处理器 和可编逻辑控制器，甚至可以扩展到计算机网络。 执行机构
各种物理量的测量和显示、手动控制和报警等功能
数模转换器、模数转换器是模拟系统与数字系统的桥梁，称为 接口电路。它们是用数字系统处理模拟信号所必须的电子电路。
11.2 数模转换器(DAC)
权电流
I Ei
VE
(VEE ) REi
R 2R 4R 8R 16R 16R
RE 2
=
VE
- ( -VEE IE
)
T2的发射极等效电阻
= 2RI E + R 2I E
IE2
IE
= 4R
-VEE
忽略IB0
IE2
权电流
R
2R 4R 8R 16R 16R
I VREF R
I
II
I
IO1
(D3
2
D2
4
D1
8
D0
) 16
vO
R f IO1
Rf R
VREF 24
41
2i Di
i0
型DAC输注的2I出意4 基(电，2准3 D压由电3 与于压2输多2VD入路RE2F自电只2然流能1 D二源为1 进输正20制出。D0数电) 成流正是V2R4比单ERF ，向i401实的2i现，Di数所模以转，换权。电流
单片集成ADC：AD7520 集成10位倒T电阻网络
AD7520集成反馈电阻Rf， 与倒T形电阻网络的R相等。
输出电压为:
vO
=
-
Rf R
∑ VREF
24
41
2i Di
i=0
vO
VREF 210
101
2i Di
i0
VREF 1024
9 i0
2i Di
输出电压与输入10位自然 二进制数成正比。
基准电压VREF可正可负。 如果用另一个DAC的输出 替换VREF，则可实现2个数字量 之积的数模转换。
如果Di=0，TN1截止，TN2导通，固定端A与P(与运放的同 相端)相连。
由于MOS管的导通电阻不相等，导致电阻网络不是准确的 R-2R网络，出现误差。
2．单片集成DAC
单片集成倒T形电阻网络DAC芯片有AD7520(10位DAC) 、 DAC1210H(12位DAC) 和AK7546(16位DAC)等。
3. DAC的应用:斜坡发生器
VREF=5V
CP
10 位
D0 D1
二进
Rf DAC
IO1
vO vO
制计 数器 D9
AD
IO2 A +
7520
GND
LSB
t / TCP
O 1023 2047
(a)
(b)
图 11.2.5 斜坡电压发生器 (a) 原理框图 (b) 波形
10位二进制计数器对周期脉冲CP计数，输出自然 二进制码，DAC将其转换为阶梯电压，近似线性电压 输出，如图(b)所示。阶梯高度为单位电压LSB: