DAC的原理

DAC的原理本次课重点输出电压的计算退出D/A转换器数模转换是将数字量转换为模拟电量(电流或电压)，使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现这种转换功能的电路叫数模转换器（DAC）。一、D/A转换器的基本原理1、D/A转换器的定义：一个n位二进制数可表示为D=dn-1dn-2···d1d0,其中最高有效位MSB,最低有效位LSB的权依次为2n-1,2n-2,···,21,20。为了将数字量转换为模拟量2、基本原理：将二进制数的每一位按权的大小转换为相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，就得到与该数字量成正比的模拟量。设输入数字量为D，输出模拟量为uo,则D/A转换的关系可表达为102niiioDkkDu)22......22(00112211DDDDknnnnk为比例系数，又叫转换系数，D为输入的n位二进制数。DAC输入数字量与输出模拟量的对应关系称为DAC的转换特性。图24－1为3位二进制数DAC的转换特性。u0D7123456110111000010001100011101设输出电压的满度值为Uomax=7V，则3位二进制DAC有8个输出的模拟电压，即从0V到7V。由图可见，输出模拟量可以分为2n-1个阶梯等级，当最大输出电压Uomax确定后，输入数字量的位数越多，输出模拟量的阶梯间隔越小，相邻两组代码转换出来的模拟量之差越小，阶梯越接近为一条直线，这表明转换器的转换精度越高。3、组成与分类：（1）组成：n位数字量输入数字寄存器n位模拟开关电阻网络求和放大器模拟量输出基准电压源数字寄存器、模拟开关、基准电压源、电阻网络和放大器几个组成部分。n位二进制DAC组成一般包括（2）分类：权电阻网络、T型电阻网络、倒T型电阻网络等几类。按电阻网络不同可分成二、常见D/A转换器的分析1、T型电阻网络D/A转换器2R2R2R2R2R2R2R2R2RRRR+UREF+UREFD3D1D2D010010101iS3S0S1S2Rfuo虚地DCBA图24－2T型电阻网络D/A转换器可以看出，T型电阻网络有如下特点：（1）从任何一个结点向左或向右到地或虚地端的等效电阻相等均为R。（2）从任何一模拟开关到地或虚地端的等效电阻相等，均为3R。模拟开关Si是接地还是接基准电压UREF,受输入的二进制码D3D2D1D0控制。总电流为012316842DDDDi)2222(321001122334DDDDRUREF由运放的工作原理可知，输出电压uo为：)2222(32001122334DDDDRURuREFfo依次类推，n位T型电阻网络DAC，则输出电压为：)22......22(32001122114DDDDRURunnnnREFfo2R2R2R2R2RRRR+UREFD3D1D2D010010101iSS3S0S1S2SRfuoICDAB2I4I8I16I16I图24－32、R-2R倒T型电阻网络D/A转换器RUREF16842、、、R－2R倒T形电阻网络的特点及转换原理：因此，各模拟开关S3S2S1S0流过的电流分别为，而与开关的状态无关。从结点A、B、C、D向右看，其等效电阻均为R，基准电源的总电流为，电流每流过一个结点，就均分为两路相等的电流。流入求和运算放大器的电流为：012316842DDDDi)2222(2001122334DDDDRUREF这样就实现了数字量到模拟量的转换。求和运算放大器的输出电压当Rf=R时，)2222(2001122334DDDDRURuREFfo如果是n位的DAC,并设Rf=R，则uo的表达式为)22...22(200112211DDDDURunnnnnREFfo倒T形电阻网络由于流过各支路的电流恒定不变，故在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以该电路转换速度快，尖峰脉冲干扰较小，是使用最广泛的一种D/A转换器。2.转换误差和转换精度3.转换速度三、D/A转换器的主要参数1.分辨率分辨率说明D/A转换器分辨最小输出电压的能力，通常用最小输出电压与最大输出电压之比表示。所谓最小输出电压ULSB指当输入的数字量仅最低位为1时的输出电压，而最大输出电压UOMAX是指当输入数字量各有效位全为1时的输出电压。对于一个n位的D/A转换器，分辨率可表示为121nOMAXLSBUU＝＝分辨率,其中n为输入数字量的位数。该D/A转换器能够分辨的最小电压为12nOMAXU。转换误差是指D/A转换器输入端加最大数字量时，实际输出的模拟电压与理论输出模拟电压的最大误差。2LSBU。通常要求D/A转换器的误差小于转换速度是指D/A转换器从数码输入开始，到输出的模拟电压达到稳定值所需的时间，也称为转换时间。转换时间越小，工作速度就越高。如5G7520/AD7541的转换时间小于500ns一般取输入由全0变成全1或反之，其输出达到稳定值所需要的时间。CDA7524是CMOS8位并行D/A转换器。四、CDA7524D/A转换器电源电压VDD可在+5～+15V之间选择。具有电阻网络和电子模拟开关及数据锁存器，还有片选控制和数据输入控制端，便于和微处理器进行接口的D/A转换器，多用于微机控制系统中。1、CDA7524的典型应用电路6D5D7D3D4D1D2D0DWRCSDDVouvVREF10R2R12KΩ1KΩC15PFOUT1OUT245678131312111092151614-++∞.CDA7524输入的数字量控制端选通端高电平输出电压2、CDA7524的典型应用电路中输出电压与输入数字量的关系如下输入输出D7D6D1D2D3D4D5D0u0111000111111100000000000000000000000000111111111+VREF.255/256+VREF.0/256+VREF.1/256+VREF.127/256+VREF.128/256+VREF.129/256