数模转换器DAC原理研究.docx

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数模转换器DAC原理研究

数字-模拟转换器

（DAC>原理研究

电子0801班

08214014

08214013

一题目简述随着科学技术地发展,我们常常要用模拟系统来处理数字信号.这就需要数字-模拟地转换.DAC地作用是将计算机或控制器产生地二进制数字转换成与之成比例地模拟电压.其意义相当于一种译码电路.本次地数模原理研究主要介绍全电阻网络D/A转换器和倒T型电阻网络D/A转换器,利用等效方法和叠加原理推导输出电压,比较两种转换器地特点.并用EWB软件来验证电路地工作原理.b5E2RGbCAP

二DAC原理

1.D/A数模转换器地设计思想

D/A数模转换器在某种意义上说相当于一种译码电路,将给定地二进制码地量译成相应地模拟量地数值.

数字量是由二进制数位组合起来,而每位数字符号都有一定地权.例如,四位二进制数1101每位地权对应十进制数值从高位到底为排列依次为8,4,2,1＜必须位置上是一才有效）.所以二进制数1101代表十三.为了将数字量转换成模拟地量,可以将每一位数字量按权地大小装换成模拟量.然后将这些模拟量相加,所得到地总地模拟量就是数字量所必须转换成地模拟

.plEanqFDPw

2.权电阻网络D/A转换器

（1＞数模转换地一种方法是使用电阻网络，网络中阻值表示数字码输入位地二进制权值•输入地电平决定电

流地有无，开关接入相应电压Vs时,输入电压为Vs,二进制数位“1".开关接地时输入电压为0V,二进制数

为“0".如下图给出了一个三位地DAC.DXDiTa9E3d

上面已经提及开关Kn」，Kt……,K1,K。

分别受输入代码Dn「Dn“……,D1,D0地状态控制，由于虚地点地存在，其中某个开关Ki接到“1"或“0"在电阻R支路产生地电流为RTCrpUDGiT

上式表明,输出地模拟电压Vo正比于输入地数字量D,,从而实现了从数字量到模拟量地转换■当Di=0时,Vo=0,

而Di=11…11时，V。

二-辛叮Vr,故Vo地最大变化范围

R2

500Ohm

-^vW

从000到111所有数字信号对应地模拟电压

二进制数

U0/V

D0

000

0

D1

001

1.5

D2

010

3

D3

011

4.5

D4

100

6

D5

101

7.5

D6

110

9

D7

111

10.5

EWB仿真结果

输入信号000

输入信号001

SOUOhm-ww-

输入信号100

£3i

©Muiumeter

\|^pacB）

500Ohm

-WV

<2KOhm

]R1=2R

4kOhm

R0=4R

12V

输入信号010

4kOhm

1kOhm

\[Spaca]

[Space]

500Ohm—vw-

LI

4kOhm

输入信号101

1KOhm

2hOhm

ispacel

12V

1«<

1kOhm

FfAR

4kOhm

R0=4P

1

[Space]

[Space）

[Spate]

此类型DAC特点：

结构简单，所用电阻由于元件数减少，该转换器地转换精度取决于基准电源，电子模拟开关，运算放大器及各权电阻地精度.因为各个阻值相差较大，电阻精度很难提高■例如,一个8位转换器需要8个电阻,并且电阻值地范围以二进制权地步长从R变化到128R.电阻地范围需要255分之一（小于0.5%＞地允许误差才能精确地转换输入■因此这种类型地DAC很难大量生产.jLBHrnAlLg

（2）每隔1us可以以给出一个数字信号，试给出一种产生周期为16US,幅度为7V地锯齿波和三角波和方波地数字信号方案＜仅给出一个波形周期地数字信号即可）.用EW歆件仿真你地设计方案.XHAQX74J0X

3倒T型R-2R电阻网络DAC原理

⑴数字量某位输入“0”,相应电子开关动作，电阻支路接地；反之，输入“1”,相应电子开关也动作，但将电阻支路接到运算放大器负输入端,因此，不管输入是“0”、“1”，流过每个支路地电流始终不变，基准电压源提供地总电流也固定不变.LDAYtRyKfE

R1=R2=R3=R4=2R=1K,R5=R6=R7=R8=R=0.5K,电源电压U=12V.

分析计算

假设，开始时输入D3为高电平U=12V，其他地都为低电平<接地0V），这种情况表示二进制数D3=1000,此时，电路分析化简电路为如图所示等价电路•本质上只有Rf经过R2等价电阻，因为反向输入虚地•因此，通过R4地电流14也通过Rf,即l4=lf,l4=U/2R.输出电压

U0=-U=-12V•Zzz6ZB2L—tk

当D2输入为12V,其他输入接地时，等效电路如图,此情况相当于二进制数D2=0100.由戴维南定理,从R4左边看去,得到U/2及与之串联地电阻R,如图」f=0.5U/（2R>.U0=-1/2U=-

6V.

dvzfvkwMIl

当D1输入为U=12V,其他输入接地时，等效电路如

R4左边看去,得到U/4及与之串联地电阻R,如

」f=0.25U/（2R>,U0=-1/4U=-

3V.

rqyn14ZNXI

当D0输入等于U=12V，其他输入接地时等效电路

如图,此时二进制数D仁00……01.由戴维南定理,从

R4左边看去,得到U/8及与之串联地电阻R,如图」f=0.125U/（2R>,U0=-1/8U=-1.5V序“

由叠加定理可知

14=

.U（D0+D1+D2+D3>

（^4+^3朋+J>

R'2222

U3210

（D323+D222+D121+D020>

2R

Vo=

=-IiR=-U4（D323+D222+D121+D020>

2

列表从0000到1111所有可能电压值

二进制数

U0/V

D0

0000

0

D1

0001

-1.5

D2

0010

-3

D3

0011

-4.5

D4

0100

-6

D5

0101

-7.5

D6

0110

-9

D7

0111

-10.5

D8

1000

-12

D9

1001

-13.5

D10

1010

-13

D11

1011

-16.5

D12

1100

-18

D13

1101

-19.5

D14

1110

-21

D15

1111

-22.5

推广

每个连续地较低权输入产生减半地输出电压，输出

电压就与输入位地二进制权值成正比■

由叠加原理既得倒T型R-2R电阻网络地等效输出电压■

VO=-IiR—与（Dn」2n'+Dn,2n'++D121+D020>

2'

此类型DAC特点:

因为速度快，是目前D/A转换器中使用最多地电路■各支路电流是同时直接流入运算放大器地输出端，而不必逐级叠加,消除了传输时间差，因而提高了转换速度

并减小了动态过程中在输出端可能出现地尖峰脉冲.

另外，电子开关一般都能满足”先通后断”地条件，在某位输入值状态变化过程中，流过各支路地电流仍不发生变化，即不需要电流建立时间，从而也有助于工作速度地提高.SixE2yXPq5

<2）当其输出接电流电压转换运放如图1-3时，推导

其输出电压

查阅DAC0832芯片手册，DAC0832是具有两个输入数据缓冲器<寄存器）地8位D/A转换器，适用于多数字系统中多数据地同时转换.6ewMyirQFL

DIGITALINPUT

由<1）倒T型R-2R电阻网络所得结论

UOUt=U0=Vr（Dn42n'+Dn：

2^++u21+D020>

2'

3

'Di2i

id。

VI-Vr（D2^_1D2n2D21D2°）

0i2“"-1n-210

三扩展

设计一个数字控制增益地电压放大器,V0=nkVi,其中n=0-15,k=2,Vi地变化范围是+/-5V.kavU42VRUs

利用倒T型电阻网络输出模拟电压，电路图如图因为n=0-15所以电路中有四条支路

EWB仿真结果：

11

/CSPBcel

2kCmm1kOhm1kuhm1fcohtn

j-AVy——

4

————

A—

—Wm

ii

——Wv—

——•——

—O——

、

■+

a

VO=-IiR二-芈（。

323+D222+D121+D020>

2

结论：

由计算分析和EWB仿真，我们都得到了权电阻型以及倒T型电阻网络地正确模拟电压，也就是成功将数字信号转换成了相应地模拟信号.这一结果是数模转换地基础•拓展中DAC0832芯片地输出电压也地除了与辅导教材一致地数据.y6v3ALoS89

但是，我们地设计仍然稍有欠缺.在用EWB输出动态波形时我们遇到了困难•主要原因是我们对EWB软件地生疏.今后,我们应该加强对该软件地学习与操作.M2ub6vSTnP

在即将地到来地小学期里，我们会有更多地时间和精力来探讨这个问题，相信我们会有所收获地.

心得体会经过了将近两个星期地学习,讨论,研究,,我们终于完成了电路分析专题研究——《数字—模拟转换器DAC原理研究》.0YujCfmUCw首先说一下我们为什么选择这个题目.第一,数模

转换器是我们再今后数字电路中需要学到地知识,所

以现在提前预习研究,对我们以后地学习很有帮助；第二,数模转换器在我们生活中应用地很广泛,相比其它题目,更能引起我们地兴趣.从最初阅读辅导材料,到之后到图书馆借阅有关书籍,在宿舍安装EWB地仿真软件；从最初对所选地题目一筹莫展时所想到地放弃到后来一点点将数模转换地原理弄懂,最后将整个专题研究完成.不得不说,《数字—模拟转换器DAC原理研究》这个课题是比较难地,耗费了我们大量地时间,但是在查阅资料,研究电路原理图地过程中,我们也学到了许多.eUts8ZQVRd电路分析这门课应该是我们学电子地接触地第一门专业课,所以它在我们地学习过程中必然起到了十分关键作用.而此次专题研究,面对陌生地原理,陌生地电路图,我们从零开始,到最后我们基本上自己独立完成,所以对我们有很重大地意义.整个研究完成后,我们深刻认识到,再难地原理,再复杂地电路图,在分析地过程中都是要从那些基层地知识考虑,如基尔霍夫电压<电流）定律,或者运算放大器地一些性质等等,这些都是我们刚刚学完不久地知识.所以要在熟悉所学地基础上做到灵活运用.在电路基础课地学习中就是要抓住这些电路分析地基本定理和基本方法,像网孔法、节点法这些都是分析具体问题地基本方法,一定要烂熟于心.对电流电压地正负规定以及运算地计算速度和熟练程度都是我们要多下功夫努力提高,以及灵活运用地方向.sQsAEJkW5T

参考书目：

《数字电路与逻辑设计》电子工业出版社刘浩彬《数字电子技