第10章D/A轉(zhuǎn)換電路10.1

D/A轉(zhuǎn)換的基本原理10.2

DAC的基本電路10.3

DAC的主要技術指標10.4常用DAC芯片及其應用舉例

10.1

D/A轉(zhuǎn)換的基本原理

D/A轉(zhuǎn)換器可將輸入的二進制數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓或電流形式的模擬量輸出,因此，D/A轉(zhuǎn)換器可以看做是一個譯碼器。一般線性D/A轉(zhuǎn)換器，其輸出模擬電壓uo和輸入數(shù)字量D之間成正比關系，即uo=K×D（10－1）式中:K為常數(shù);D為二進制數(shù)字量，D=Dn-1Dn-2…D0。

D/A轉(zhuǎn)換器的一般結(jié)構如圖10－1所示。其中，數(shù)據(jù)鎖存器用來暫時存放輸入的數(shù)字信號。n位鎖存器的并行輸出分別控制n個電子開關的工作狀態(tài)。通過電子開關，將參考電壓按權關系加到電阻解碼網(wǎng)絡。并非所有的D/A轉(zhuǎn)換器都具有這幾個部分，但虛框內(nèi)的部分是必不可少的。圖10－1

D/A轉(zhuǎn)換器的一般結(jié)構圖10－2就是按這種方法實現(xiàn)的D/A轉(zhuǎn)換器，實際上，這是一個加權加法運算電路。其中，電阻網(wǎng)絡與二進制數(shù)的各位權相對應，權越大,對應的電阻值越小，故稱之為權電阻網(wǎng)絡。UR為穩(wěn)恒直流電壓，是D/A轉(zhuǎn)換電路的參考電壓。n路電子開關Si由n位二進制數(shù)D的每一位數(shù)碼Di來控制。Di=0時，開關Si將該路電阻接通“地端”；Di=1時,Si將該路電阻接通參考電壓UR。集成運算放大器作為求和權電阻網(wǎng)絡的緩沖，主要是為了減少輸出模擬信號負載變化的影響，并將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。圖10－2權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器圖10－2中，因A點“虛地”，即UA=0，所以各支路電流分別為…又因放大器輸入端“虛斷”，所以In-1+In-2+…+I0=If

以上各式聯(lián)立可得由上式可見，輸出模擬電壓uo的大小與輸入二進制數(shù)的大小成正比，實現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。權電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器電路簡單，但該電路在實現(xiàn)上有明顯缺點，各電阻的阻值相差較大，尤其當輸入的數(shù)字信號的位數(shù)較多時，阻值相差更大。這樣大范圍的阻值，要保證每個都有很高的精度是極其困難的，不利于集成電路的制造。為了克服這一缺點，D/A轉(zhuǎn)換器廣泛采用T型和倒T型電阻網(wǎng)絡D/A轉(zhuǎn)換器。 10.2

DAC的基本電路

10.2.1

T型電阻網(wǎng)絡DAC

圖10－3所示為T型電阻網(wǎng)絡4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。其中,電阻譯碼網(wǎng)絡是由R和2R兩種阻值的電阻組成的T型電阻網(wǎng)絡，運算放大器構成電壓跟隨器，圖中略去了數(shù)據(jù)鎖存器，電子開關S3、S2、S1、S0在二進制數(shù)D相應位的控制下或者接參考電壓UR（相應位為1）,或者接地（相應位為0）。當電子開關S3、S2、S1、S0全部接地時，從任一結(jié)點a、b、c、d向其左下方看的等效電阻都等于R。圖10－3

T型電阻網(wǎng)絡4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖

下面利用疊加原理和戴維南定理來求轉(zhuǎn)換器的輸出uo。

當D0單獨作用時，T型電阻網(wǎng)絡如圖10－4(a)所示。把a點左下方電路等效成戴維南電源，如圖10－4(b)所示；然后依次把b點、c點、d點的左下方電路等效成戴維南電源,分別如圖10－4(c)、(d)、(e)所示。由于電壓跟隨器的輸入電阻很大，遠遠大于R，因此，D0單獨作用時d點電位幾乎就是戴維南電源的開路電壓D0UR/16，此時轉(zhuǎn)換器的輸出為圖10－4D0單獨作用時T型電阻網(wǎng)絡的戴維南等效電路當D1單獨作用時，T型電阻網(wǎng)絡如圖10－5(a)所示，其d點左下方電路的戴維南等效電源如圖10－5(b)所示。同理，D2單獨作用時d點左下方電路的戴維南等效電源如圖10－5(c)所示；D3單獨作用時d點左下方電路的戴維南等效電源如圖10－5(d)所示。故D1、D2、D3單獨作用時轉(zhuǎn)換器的輸出分別為圖10－5

D1、D2、D3單獨作用時T型電阻網(wǎng)絡的戴維南等效電路利用疊加原理可得到轉(zhuǎn)換器的總輸出為可見，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。推廣到n位，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為（10－2）

T型電阻網(wǎng)絡由于只用了R和2R兩種阻值的電阻，其精度易于提高，也便于制造集成電路。但也存在以下缺點：在工作過程中，T型網(wǎng)絡相當于一根傳輸線，從電阻開始到運放輸入端建立起穩(wěn)定的電流電壓為止,需要一定的傳輸時間，當輸入數(shù)字信號位數(shù)較多時，將會影響D/A轉(zhuǎn)換器的工作速度。另外，電阻網(wǎng)絡作為轉(zhuǎn)換器參考電壓UR的負載電阻將會隨二進制數(shù)D的不同有所波動，參考電壓的穩(wěn)定性可能因此受到影響。所以實際中常用下面的倒T型D/A轉(zhuǎn)換器。10.2.2倒T型電阻網(wǎng)絡DAC

圖10－6所示為倒T型電阻網(wǎng)絡4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖。由于P點接地、N點虛地，不論數(shù)碼D0、D1、D2、D3是0還是1，電子開關S0、S1、S2、S3都相當于接地，因此，圖中各支路電流I0、I1、I2、I3和IR不會因二進制數(shù)的不同而改變。并且，從任一結(jié)點a、b、c、d向左上方看的等效電阻都等于R，所以流出UR的總電流為而流入各2R支路的電流依次為流入運算放大器反相端的電流為Iout1=D0×I0+D1×I1+D2×I2+D3×I3

=(D0×20+D1×21+D2×22+D3×23)×IR/16運算放大器的輸出電壓為圖10－6倒T型電阻網(wǎng)絡4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖若Rf=R，并將IR=UR/R代入上式，則有可見，輸出模擬電壓正比于數(shù)字量的輸入。推廣到n位，D/A轉(zhuǎn)換器的輸出為（10.3）倒T型電阻網(wǎng)絡也只用了R和2R兩種阻值的電阻，但和T型電阻網(wǎng)絡相比較，由于各支路電流始終存在且恒定不變，各支路電流到運放的反相輸入端不存在傳輸時間，因此具有較高的轉(zhuǎn)換速度。10.2.3

DAC中的電子開關

各種D/A轉(zhuǎn)換器中使用的電子開關大都是由晶體管或場效應管組成的。圖10－7(a)繪出了由場效應管組成的電子開關單元電路。其中，V1、V2、V3構成輸入級，V4、V5構成的CMOS反相器與V6、V7構成的CMOS反相器互為倒相，兩個反相器的輸出分別控制著V8和V9的柵極，V8、V9的漏極同時接電阻網(wǎng)絡中的一個電阻，例如T型電阻網(wǎng)絡中的2R，而源極分別接電流輸出端Iout1和Iout2。圖10－7(b)是其等效電路。圖10－7由場效應管組成的電子開關單元電路及其等效電路當輸入端Di為低電平時，V4、V5構成的CMOS反相器輸出低電平，V6、V7構成的CMOS反相器輸出高電平，結(jié)果使V8導通、V9截止，V8將電流Ii引向Iout2。當輸入端Di為高電平時，則V8截止、V9導通，V9將電流Ii引向Iout1。

10.3

DAC的主要技術指標

D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術指標包括轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換速度等。轉(zhuǎn)換精度一般用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述，轉(zhuǎn)換速度一般用建立時間來描述。

1．分辨率

分辨率是指對輸出電壓的分辨能力。當D/A轉(zhuǎn)換器輸入相鄰兩個數(shù)碼時所對應的輸出電壓之差為最小可分辨電壓ULSB。分辨率的定義為最小可分辨電壓與最大輸出電壓之比，即可以看出，分辨率的數(shù)值是與轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的有效位數(shù)成反比的，即數(shù)字量的有效位數(shù)越多，分辨率的數(shù)值越小，分辨力越強。因此，在實際中常用輸入數(shù)字量的有效位數(shù)來表示分辨率，如12位D/A的分辨率為12位。

D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率越高，轉(zhuǎn)換時對輸入量的微小變化反應越靈敏。

2．轉(zhuǎn)換誤差

轉(zhuǎn)換誤差分絕對誤差和相對誤差。轉(zhuǎn)換誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。

絕對誤差是實際輸出值與理論計算值之差，用最低有效位（LSB）的倍數(shù)來表示。相對誤差用絕對誤差與輸出電壓滿刻度（FSR）的百分數(shù)來表示。滿刻度是指輸入數(shù)字量全為1時的模擬量輸出。例如，轉(zhuǎn)換誤差為，表示輸出模擬電壓的絕對誤差等于輸入為00…01時的輸出電壓的一半。

由不同原因引起的各種誤差，包括靜態(tài)誤差和溫度誤差。靜態(tài)誤差主要由以下幾種誤差構成。

(1)非線性誤差。D/A轉(zhuǎn)換器兩相鄰數(shù)碼對應的模擬量之差應該都是相同的，即理想轉(zhuǎn)換特性應為直線，如圖10－8實線所示，實際轉(zhuǎn)換時的特性可能如圖10－8(a)中虛線所示。我們把在滿量程范圍內(nèi)偏離轉(zhuǎn)換特性的最大誤差叫非線性誤差，它與最大量程的比值稱為非線性度。

(2)漂移誤差，又叫零位誤差。它是由運算放大器零點漂移產(chǎn)生的誤差。當輸入數(shù)字量為0時，由于運算放大器的零點漂移，輸出模擬電壓并不為0。這使輸出電壓特性與理想電壓特性產(chǎn)生一個相對位移，如圖10－8(b)中的虛線所示。零位誤差將以相同的偏移量影響所有的碼。

(3)比例系數(shù)誤差，又叫增益誤差。它是轉(zhuǎn)換特性的斜率誤差。一般地，由于UR是D/A轉(zhuǎn)換器的比例系數(shù)，因此，比例系數(shù)誤差一般是由參考電壓UR的偏離而引起的。比例系數(shù)誤差如圖10－8(c)中的虛線所示，它將以相同的百分數(shù)影響所有的碼。圖10－8

D/A轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)誤差

3.建立時間

從數(shù)字信號輸入DAC起，到輸出電流（或電壓）達到穩(wěn)態(tài)值所需的時間為建立時間。建立時間的大小決定了轉(zhuǎn)換速度。

除上述各參數(shù)外，在使用D/A轉(zhuǎn)換器時還應注意它的輸出電壓特性。由于輸出電壓事實上是一串離散的瞬時信號，要恢復信號原來的時域連續(xù)波形，還必須采用保持電路對離散輸出進行波形復原。

此外,還應注意D/A轉(zhuǎn)換器的工作電壓、輸出方式、輸出范圍和邏輯電平等。

10.4常用DAC芯片及其應用舉例

集成D/A轉(zhuǎn)換器品種繁多，從內(nèi)部結(jié)構上看，有包括電阻解碼網(wǎng)絡和電子模擬開關的基本D/A轉(zhuǎn)換器，有在內(nèi)部電路中增加了數(shù)據(jù)鎖存器、寄存器的帶有使能控制端的D/A轉(zhuǎn)換器，還有將基準電壓源、求和運放等均集成在芯片上的完整的D/A轉(zhuǎn)換器。從使用的角度看，D/A轉(zhuǎn)換器可分兩大類：一類是在電子電路中使用，不帶使能控制端，只有數(shù)字信號輸入和模擬信號輸出；另一類是為微機應用而設計的，帶有使能控制端，可直接與微機及單片機接口。10.4.1

AD7520集成D/A轉(zhuǎn)換器

AD7520是10位電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為500ns，電源電壓為+5～+15V。AD7520內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡結(jié)構如圖10－9所示。

AD7520芯片內(nèi)集成了10組倒T型電阻網(wǎng)絡、CMOS電子模擬開關和一個10kΩ的反饋電阻，而求和運算放大器和基準電壓必須外接。圖10－10是AD7520引腳圖，D0～D9為10個二進制數(shù)碼輸入端，Iout1和Iout2為電流輸出端，Rf為反饋電阻引出端，UREF為基準電壓輸入端。圖10－9

AD7520內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡結(jié)構圖10－10

AD7520引腳圖

AD7520芯片內(nèi)集成了10組倒T型電阻網(wǎng)絡、CMOS電子模擬開關和一個10kΩ的反饋電阻，而求和運算放大器和基準電壓必須外接。圖10－10是AD7520引腳圖，D0～D9為10個二進制數(shù)碼輸入端，Iout1和Iout2為電流輸出端，Rf為反饋電阻引出端，UREF為基準電壓輸入端。

AD7520的主要電氣特性如下：

(1)具有10位線性輸出（非線性度為0.01%）；

(2)準確度為1LSB；

(3)功耗低，5V情況下通常為20mW；

(4)與TTL和CMOS