2.倒T型电阻网络DA转换器

I

Dn1
I 21

Dn1
I 22

D1
I 2n1

D0
I 2n

I 2n
( Dn 1 2n 1

Dn2 2n2


D1 21

D0 20 )

I 2n
n 1
Di 2i
i0
第10章 数-模转换和模-数转换
运算放大器的输出电压为
U I
Rf


IR f 2n
分辨率
U Um

1 2n 1
分辨率越高，转换时对输入量的微小变化的反应越灵敏。பைடு நூலகம்而分辨率与输入数字量的位数有关，n越大，分辨率越高。
第10章 数-模转换和模-数转换
2. 转换精度是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, 主要指静态误差，它包括： ① 非线性误差。它是电子开关导通的电压降和电阻网 络电阻值偏差产生的，常用满刻度的百分数来表示。 ② 比例系数误差。它是参考电压UR的偏离而引起的误 差，因UR是比例系数， 故称之为比例系数误差。当ΔUR一 定时，比例系数误差如图 10 - 4 中的虚线所示。
第10章 数-模转换和模-数转换
10.2 D/A转换器（DAC）
10.2.1 D/A
D/A转换器是将输入的二进制数字信号转换成模拟信号， 以电压或电流的形式输出。因此，D/A转换器可以看作是一 个译码器。一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压U 和输入数字量D之间成正比关系，即U=KD，式中K为常数。
IOUT1+IOUT2= UCC： 电源输入端（一般取+5V ）。 DGND： 数字地。 AGND： 模拟地。
第10章 数-模转换和模-数转换
从DAC0832的内部控制逻辑分析可知，当ILE、CS和 WR1同时有效时，LE1为高电平。在此期间，输入数据 D7~D0 进 入 输 入 寄 存 器 。 当 WR2 和 XFER 同 时 有 效 时 ， LE2为高电平。在此期间，输入寄存器的数据进入DAC寄 存器。八位D/A转换电路随时将DAC寄存器的数据转换为 模拟信号（IOUT1+IOUT2）输出。
DAC0832 的使用有双缓冲器型、单缓冲器型和直通 型等三种工作方式。
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-7 DAC0832的三种工作方式
第10章 数-模转换和模-数转换
10.3 A/D转换器(ADC)
10.3.1 A/D
A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通 过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
时间τ的输入Ui(t)的值，一直保持到下一个取样脉冲到来为止。
当下一个取样脉冲到来，电容C上的电压
再U按o' (t输) 入Ui(t)变
化。 在输入一连串取样脉冲序列后，取样保持电路的缓冲放
大器输出电压Uo（t）便得到如图10-9（b）所示的波形。
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-9 (a) 取样保持电原理图； (b) 输出波形图
UR 2n1 R
2i
当Di=0时，由于Si接地，Ii=0。因此，对于Di位所产生的
电流应表示为
Ii

UR 2n1i R

UR 2n1 R
2i Di
第10章 数-模转换和模-数转换
运算放大器总的输入电流为
I

n1
Ii
i0
n1

i0
UR 2n1 R
Di 2i

UR 2n1 R
第10章 数-模转换和模-数转换
在目前常见的D/A转换器中，有权电阻网络D/A转换 器，倒梯形电阻网络D/A转换器等。A/D转换器的类型也 有多种，可以分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两大 类。在直接A/D转换器中，输入的模拟信号直接被转换成 相应的数字信号；而在间接A/D转换器中，输入的模拟信 号先被转换成某种中间变量（如时间、 频率等），然后 再将中间变量转换为最后的数字量。
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-4 比率系数误差
第10章 数-模转换和模-数转换
③ 漂移误差。它是由运算放大器零点漂移产生的误 差。当输入数字量为 0 时，由于运算放大器的零点漂移， 输出模拟电压并不为 0。这使输出电压特性与理想电压 特性产生一个相对位移，如图 10-5 中的虚线所示。
1. 权电阻网络D/A转换器
图 10-2 权电阻DAC
第10章 数-模转换和模-数转换
开关Si的位置受数据锁存器输出的数码Di控制，当Di=1 时，Si将电阻网络中相应的电阻Ri和基准电压UR接通；当 Di=0时，Si将电阻Ri接地。
权电阻网络由n个电阻（20R~2n-1R）组成，电阻值的选 择应使流过各电阻支路的电流Ii和对应Di位的权值成正比。 例如，数码最高位Dn-1， 其权值为2n-1，驱动开关Sn-1，连接 的电阻Rn-1=2n-1-(n-1)=20R； 最低位D0，驱动开关S0，连接的 权电阻为R0=2n-1-(0)R=2n-1R。因此，对于任意位Di，其权值 为2i，驱动开关Si，连接的权电阻值为Ri=2n-1-iR，即位权（i） 越大,对应的权电阻值就越小。
第10章 数-模转换和模-数转换
集成运算放大器，作为求和权电阻网络的缓冲，主要 是减少输出模拟信号负载变化的影响，并将电流转换为 电压输出。
当Di=1时，Si将相应的权电阻Ri=2n-1-iR与基准电压UR 接通，此时，由于运算放大器负输入端为虚地，该支路
产生的电流为
Ii

UR 2n1i R

第10章 数-模转换和模-数转换
IOUT1：DAC输出电流 1。此输出信号一般作为运算放 大器的一个差分输入信号。当DAC寄存器中的各位为 1 时， 电流最大；为全 0 时，电流为 0。
IOUT2：DAC输出电流2。它作为运算放大器的另一个差 分输入信号（一般接地）。IOUT1和IOUT2满足如下关系：
路之后须加保持电路。图10-9（a）是一种常见的取样保持电
路， 场效应管V为采样门，电容C为保持电容，运算放大器为
跟随器，起缓冲隔离作用。在取样脉冲S(t)到来的时间τ内，场
效应管V导通，输入模拟量Ui(t)向电容充电；假定充电时间常 数远小于τ，那么C上的充电电压能及时跟上Ui(t)的采样值。采 样结束，V迅速截止，电容C上的充电电压就保持了前一取样
n1
Di 2i
i0
若Rf=R，并将I=UR/R代入上式， 则有
U


UR 2n
n1
Di 2i
i0
可见，输出模拟电压正比于数字量的输入。
第10章 数-模转换和模-数转换
10.2.3 D/A转换器的主要技术指标
1.分辨率
分辨率是指输入数字量最低有效位为 1 时，对应输出可 分辨的电压变化量ΔU与最大输出电压Um之比，
10.2.4 八位集成DAC0832
图 10-6 集成DAC0832框图与引脚图
第10章 数-模转换和模-数转换
它由一个八位输入寄存器、一个八位DAC寄存器和一 个八位D/A转换器三大部分组成，D/A转换器采用了倒T 型R-2R电阻网络。由于DAC0832有两个可以分别控制的 数据寄存器，所以，在使用时有较大的灵活性， 可根据 需要接成不同的工作方式。DAC0832中无运算放大器， 且是电流输出，使用时须外接运算放大器。芯片中已设 置了Rfb，只要将 9 脚接到运算放大器的输出端即可。若 运算放大器增益不够， 还须外加反馈电阻。
当D=Dn-1…D0=0时，U=0。
当D=Dn-1…D0=11…1时， 最大输出电压
Vm


2n 2n
1U
R
因而U的变化范围是
2n 1 0 ~ 2n UR
第10章 数-模转换和模-数转换
2. 倒T型电阻网络D/A转换器
图 10-3 R-2R倒T型DAC
第10章 数-模转换和模-数转换
从图10-3中可以看出，由UR向里看的等效电阻为R，数 码无论是 0 还是 1，开关Si都相当于接地。因此，由UR流出 的总电流为I=UR/R，而流入2R支路的电流是依2的倍速递减， 流入运算放大器的电流为
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-5 漂移误差
第10章 数-模转换和模-数转换
3.
从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）
达到稳态值所需的时间为建立时间。 建立时间的大小
决定了转换速度。目前 10~12
D/A 转换
器（不包括运算放大器）的建立时间可以在 1 微秒以
内。
第10章 数-模转换和模-数转换
第10章 数-模转换和模-数转换
第 10 章 数-模转换和模-数转换
10.1 概述 10.2 D/A转换器(DAC) 10.3 A/D转换器(ADC)
第10章 数-模转换和模-数转换
10.1 概
为了能用数字技术来处理模拟信号，必须把模拟信号转 换成数字信号，才能送入数字系统进行处理。同时，往往还 需把处理后的数字信号转换成模拟信号，作为最后的输出。 我们把前一种从模拟信号到数字信号的转换称为模—数转换，
图 10-8 取样过程
第10章 数-模转换和模-数转换
在取样脉冲作用期τ内，取样开关接通，
使
U
' o
(t)

Ui
(t)，
在其它时间（TS-τ）内，输出=0。因此，
每经过一个取样周期， 对输入信号取样一次，在输出端
便得到输入信号的一个取样值。为了不失真地恢复原来
的输入信号，根据取样定理，一个频率有限的模拟信号，
D/A转换器的一般结构如图10-1所示， 图中数据锁存器 用来暂时存放输入的数字信号。n位寄存器的并行输出分别 控制n个模拟开关的工作状态。通过模拟开关，将参考电压 按权关系加到电阻解码网络。
第10章 数-模转换和模-数转换
图 10-1 DAC方框图
第10章 数-模转换和模-数转换
10.2.2 D/A转换器的主要电路形式
其取样频率fS必须大于等于输入模拟信号包含的最高频 率fmax的两倍，即取样频率必须满足：
fs 2 fmax
第10章 数-模转换和模-数转换
模拟信号经采样后，得到一系列样值脉冲。采样脉冲宽
度τ一般是很短暂的，在下一个采样脉冲到来之前，应暂时保
持所取得的样值脉冲幅度，以便进行转换。因此，在取样电
A/D（Analog to Digital）转换，把后一种从数字信 号到模拟信号的转换称为D/A（Digital to Analog）转换。同 时，把实现A/D转换的电路称为A/D转换器（Analog Digital Converter ） ； 把 实 现 D/A 转 换 的 电 路 称 为 D/A 转 换 器 （Digital Analog Converter）。
1. 取样和保持
取样（也称采样）是将时间上连续变化的信号转换为
时间上离散的信号，即将时间上连续变化的模拟量转换为
一系列等间隔的脉冲，脉冲的幅度取决于输入模拟量。其
过程如图 10-8 所示。图中Ui(t)为输入模拟信号，S(t)为采样
脉冲，U
' o
(
t
)
为取样后的输出信号。
第10章 数-模转换和模-数转换
第10章 数-模转换和模-数转换
器件上各引脚的名称和功能如下： ILE： 输入锁存允许信号， 输入高电平有效。 CS： 片选信号， 输入低电平有效。 WR1： 输入数据选通信号， 输入低电平有效。 WR2： 数据传送选通信号， 输入低电平有效。 XFER： 数据传送选通信号， 输入低电平有效。 D7~D0： 八位输入数据信号。 UREF： 参考电压输入。 一般此端外接一个精确、 稳定 的电压基准源。UREF可在-10V至+10 V范围内选择。 Rfb： 反馈电阻（内已含一个反馈电阻）接线端。
n1
Di 2i
i0
运算放大器的输出电压为
U

Rf
I


RfUR 2n1 R
n 1 i0
Di 2i
若Rf=1/2R，代入上式后则得
U


RfUR 2n1 R
n1
Di 2i
i0


UR 2n
n1
Di 2i
i0
第10章 数-模转换和模-数转换
从上式可见，输出模拟电压U的大小与输入二进制数 的大小成正比，实现了数字量到模拟量的转换。
第10章 数-模转换和模-数转换
2. 量化和编码
输入的模拟电压经过取样保持后，得到的是阶梯波。由于 阶梯的幅度是任意的，将会有无限个数值，因此该阶梯波仍 是一个可以连续取值的模拟量。另一方面，由于数字量的位 数有限，只能表示有限个数值(n位数字量只能表示2n个数值)。 因此，用数字量来表示连续变化的模拟量时就有一个类似于 四舍五入的近似问题。必须将取样后的样值电平归化到与之 接近的离散电平上，这个过程称为量化。指定的离散电平称 为量化电平。用二进制数码来表示各个量化电平的过程称为 编码。两个量化电平之间的差值称为量化间隔S，位数越多， 量化等级越细，S就越小。取样保持后未量化的Uo值与量化电 平Uq值通常是不相等的，其差值称为量化误差δ， 即δ=Uo-Uq。 量化的方法一般有两种：只舍不入法和有舍有入法。