第九章 数模与模数转换电路

第九章 数模与模数转换电路

第三十讲 教学内容：①D/A 转换电路及工作原理；②D/A 转换 器的主要技术指标；③熟练掌握 集成 D/A 转换 器 DAC 0832 的应用。

教学要求：①了解 D/A 转换的工作原理；②掌握 D/A 转换 器的主要技术指

标；③熟练掌握 集成 D/A 转换 器 DAC 0832 的应用。

教学难点：权电阻D/A转换器、倒T型D/A转换器的电路结构特点、工作原理

及其主要技术参数，逐次逼近型A/D转换器、双积分型A/D转换器的电路结构特点、工作原理。

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——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。

9.1 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—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，D0～Dn-1是输入的n位二进制数，vo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。

vo/VD0D176543210000001...D/A转换器voDn-1输入输出010011100101110111D

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

二． 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。

S0～S3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。Si

由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运放反相输入端（“虚地”），Ii流入求和电路；

当Di=0时，Si将电阻2R接地。

无论模拟开关Si处于何种位置，与Si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（I=VREF/R），则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8和I/16。

(LSB)D0(MSB)D3RfD1D2iΣA+voS02R2RI16RI16I82RS1I8RI42RS2I4RI22RS3I2+VREFI

图9.1—3 倒T形电阻网络D/A转换器

于是可得总电流

i??

VREFD0D1D2D3(4?3?2?1)R22223V?4REF?(Di?2i)2?Ri?0 （9.1.1）

输出电压

vO??i?Rf

??RfR?VREF24i?0?(Di?2)3i （9.1.2）

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：

RfVREFn?1vO???n[?(Di?2i)]i?0R2

Rf 设 K =R?VREF2n，NB表示括号中的n位二进制数，则：

vO=－KNB

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I/2、I/4、I/8、I/16。

(LSB)D0(MSB)D3RfD1D2iΣA+voS0I16S1I8S2I4S3I2VREF

图9.1—4 权电流型D/A转换器的原理电路

当输入数字量的某一位代码Di=1时，开关Si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Di=0时，开关Si接地。分析该电路可得出

vO?i?RfIIII?Rf(D3?D2?D1?D0)24816I?4?Rf(D3?23?D2?22?D1?21?D0?20)23I?4?Rf?Di?2ii?02 （9.1.5）

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VBE的不一致性对D/A转换器精度的影响，图中T3～T0

均采用了多发射极晶体管，其发射极个数是8、4、2、1，即T3～T0发射极面积之比为8:4:2:1。这样，在各BJT电流比值为8:4:2:1的情况下，T3～T0的发射极电流密度相等，可使各发射结电压VBE相同。由于T3～T0的基极电压相同，所以它们的发射极e3、e2、e1、e0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8:4:2:1的要求。

(MSB)D3D2D1(LSB)D0RfiΣA1+voI=IREF=R1VVREFR1TrS3I2T3T2S2I4T1S1I8T0S0I16TcI16VREFR++A2VR—IREFIE3IE2IE1IE0IECIBB偏置电流RVEE2R2R2R2R2RRRR

图9.1—5 权电流D/A转换器的实际电路

基准电流IREF产生电路由运算放大器A2、R1、Tr、R和－VEE组成，A2和R1、Tr的cb结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即Tr的基极电压。Tr的cb结，电阻R到－

VEE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：

VIREF?REF?2IE3R1

由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2，IE2=I/4，IE1=I/8，IE0=I/16，于是可得输出电压为：

vO?i?Rf?RfVREF24R1

(D3?23?D2?22?D1?21?D0?20)

可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压

VREFRfn?1vO??n?Di?2iR12i?0

该电路特点为，基准电流仅与基准电压VREF和电阻R1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。

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D0～D7是8位