数模与模数转换电路(20210201131153)

D o D 1D/A 转换器V o4D n-1 输入输出数模与模数转换电路随着数字技术，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一一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。

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， 从而实现了数字一模拟转换。

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 o 〜D n-i 是输入的n 位二进制数， V 。

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。

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 o 〜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 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”），h 流入求和电路；当D i =0时，S 将电阻2R 接地。

无论模拟开关S 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 （匸V REF /R ）,则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为1/2、1/4、1/8和I/16。

于是可得总电流输出电压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:R f V°」R” R E F[S(D i Q)] 2n i =0R f V R EF设K〒，N B 表示括号中的n 位二进制数，则:REFRD o (24 D 1 D 2 32227）(9.1.1)Rf VREF3(D i 2i )i =024(9.1.2)16 8 4 2图9.1 — 3倒T 形电阻网络D/A 转换器V REF 42 R iV 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1/2、1/4、1/8、1/16。

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V O =\X R=R f (-D 3 -D 2 -D 1 丄 D 。

)2 4 8 16I 3 2104 R f (D 3 2 D 2 2 D 1 2D o 2 )24 I 3 .T R f ' D i 2i2 i =0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 o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 o 发射极面积之比为 8:421。

这样，在各BJT 电流比值为8:4:2:1的情况下，T 3〜T o 的发射极电流密度相等，可使各发射(9.1.5)图9.1 — 4权电流型D/A 转换器的原理电路结电压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、良、e 、e 。

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8:421的要求。

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、冃、T r 、R 和一V EE 组成，A 2和R i 、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 到一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： |_V R EF_2| 1REF21E3R iI E 3=I/2, I E 2=I/4, I EI =I/8, I EO =I/16,于是可得输出电压为:vo 二i ' Rf可推得n 位倒T 形权电流D/A 转换器的输出电压该电路特点为，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。

B 3 MsDK■i 上二 Ik■S3XS2 '11 S1S I- >0 16|16TTT1ToEVEIE2由倒T 形电阻网络分析可知, R f V REF 24R i(D 3 23 D 2 22 D 1 21 D o 20)V oR f 2nn -1 i =0■2i2R 2R2RR ........... RR2RI BB 偏置 电流Tco E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 。

〜D ?是8位数字量输入端，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 阻尺，如图9.1 — 7所示。

V CC =+5V13VEE =_15V图9.1 — 7 DAC0808 D/A 转换器的典型应用在V REF =10V 、R 1=5k Q 、R f =5k Q 的情况下，根据式(9.1.7 )可知输出电压为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(LSB )D0D 1 R 1 5k Q 15 5k QV^EFD 2 D 3 D 4 D 5 10 DAC0808D 6(MSB ) D 7数字量输入11 12V o模拟量输出0 〜9.96V 。

(LSB )(MSB )图9.1— 6权电流型D/A 转换器DAC0808的电路结构框图5k QA160.01 g F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） 分辨率一一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 —2“ _1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^55V REF ,256112551-LSB = V REF 所以实际值不应超过（ ）V REF 。

2 512 256 5122•转换速度（1） 建立时间（t set ）――指输入数字量变化时，输出电压变化到相应稳定电压值所需 时间。

一般用 D/A 转换器输入的数字量 NB 从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差 范围（土 LSB/2 ）时所需时间表示。

D/A 转换器的建立时间较快，单片集成 D/A 转换器建立时间最短可达0.1S 以内。