数字电路基础D数／摸转换器DAC.docVIP

8.1数／摸转换器(DAC) 8.1.1 DAC的基本概念 在第一章我们已经介绍过，一个n位二进制数Dn-1Dn-2???D1D0可以用其按权展开式表示为： Dn-1Dn-2???D1D0 = Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 ???D1 21+ D0 20 从最高位Dn-1( MSB )到最低位Do(LSB)的权依次为2n-1 、2n-2、21、20。 数模转换器(DAC)的输入是数字量，输出为模拟量，输出uo应与输入数字量的大小成正比。故有： uo ＝K(D Dn-1 2n-1 + Dn-2 2n-2 ???D1 21+ D0 20”) 如果要将二进制数字量转换成模拟量，须将数字量中每1位为l的代码按其权值的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可获得与该数字量成正比的模拟量。DAC的电路组成框图如图8-1-l所示。 DAC电路由模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源组成。 用数字量的各位数码分别控制对应位的电子开关，使数码为l的位在位权网络上产生与这位权成正比的电流值，由运算放大器对各电流值求和，并转换成电压值。 根据位权网络的不同，可以构成不同类型的DAC，如权电阻网络DAC、T型电阻网络DAC、倒T型电阻网络DAC、权电流网络DAC、权电容网络DAC等等。本章中将介绍权电阻冈络DAC、T型电阻网络DAC和倒T型电阻网络DAC三种基本类型。 8.1.2 权电阻网络DAC 4位二进制权电阻网络DAC电路原理图如图8-l-2所示，由权电阻网络、4个电子开关、1个求和放大器和基淮电压源提供的参考电压UREF组成。 权电阻网络由阻值分别为R、2R、22 R、23 R的电阻组成，每个电阻称为权电阻。 SA3、SA2、SAl和SAo是4个电子开关，它们的状态分别受D：、D2、Dl和Do的取值控制，代码为1时开关接到参考电压UREF上，有支路电流Ii流向求和放大器；代码为0时开关接地，支路电流为零。 求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器。为了简化分析计算，把运算放大器看成是理想放大器，即它的开环放大倍数为无穷大，输入电阻为无穷大，输出电阻为零。理想运放的重要特性是两个输入端间的电位差及输入电流在任何情况下始终为零，与外界电路无关。 把运算放大器看成是理想放大器后，输入电流为零(虚断)，由图8-1-2可以得到 (8-1-2) 上式说明输出的模拟电压uo与输入的二进制数字量成正比，实现了数／模转换。改变UREF或RF可以改变比例系数，从而改变输出电压的变化范围。 当输入的数字量超过四位时，每增加一位只要增加一个电子开关和一个电阻就可以了。这样一个n位二进制权电阻网络DAC需要n个权电阻，其阻值分别为2n-1R ，…2R，R。对于n位权电阻DAC有： 如果输人信号Dn-1Dn-2…Dl Do＝00…00时，uo＝0； Dn-1Dn-2…Dl Do＝11…11时， uo的最大变化范围是0一 权电阻网络DAC的优点是结构简单，使用的电阻元件少；缺点是权电阻的阻值都不相同，位数多时，其阻值相差甚远。例如当输入信号增加到12位时，如果取权电阻网络中最小的权电阻R＝1k?，最大的电阻应为211R =2．048M?，两者相差2048倍，给集成电路的制作造成很大困难，在集成的DAC中很少单独使用上述电路。 [例8-1-1]设图8-1-2中的RF＝10k?，R只＝20k?，UREF ＝-10V，输入的数码分别为1011、0000、llll，试分别求出输出电压uo，并确定其输出电压范围。 解将给定的数据分别代入式(8-1-2)得 uo1＝6．875V uo2＝0V uo3＝9.375V 数字量1011、0000、llll的对应模拟量分别为6.875V、0V ,9.375V。输出电压范围是0一9.375V。 8.1.3 T型电阻网络DAC 为了克服权电阻网络中电阻值相差过大的缺点，引入了T型电阻网络结构的DAC，其电路图如图8-1-3所示。电阻网络中只有R、2R两种阻值的电阻，给集成电路的设计和制作带来很大的方便。 图中SA3、SA2、SAl和SAO是4个模拟电子开关，它们的状态分别受D3、D2、Dl和Do的取值控制，代码为1时并关接到参考电压UREF上，使电阻2R与UREF相通；代码为0时开关接到地，使电阻2R与地相通。运算放大器部分可以把转换器的电流输出变为电压输出。 用叠加原理进行简化分析，即只要分析清楚输入二进制码各位单独作用时产生的输出，总的输出即为各位单独作用时