DAC原理分析與驗(yàn)證成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院成都卓物科技有限公司DAC原理分析與驗(yàn)證D/A轉(zhuǎn)換器的基本原理數(shù)模轉(zhuǎn)換是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電量（電流或電壓）使輸出的模擬電量與輸入的數(shù)字量成正比。實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換功能的電路叫數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。

一個(gè)n位二進(jìn)制數(shù)可以表示為

，其中最高有效位MSB，最低有效位LSB的權(quán)依次為

。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，將二進(jìn)制的每一位與加權(quán)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，就得到了與該數(shù)字量成正比的模擬量。

設(shè)輸入的數(shù)字量為D，輸出模擬量為

，則D/A轉(zhuǎn)換的關(guān)系可表述為k為比例系數(shù)，又叫轉(zhuǎn)換系數(shù)，D為輸入的n位二進(jìn)制數(shù)。DAC原理分析與驗(yàn)證D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成與分類(lèi)如下圖，n位二進(jìn)制DAC組成一般包括數(shù)字寄存器、模擬開(kāi)關(guān)、基準(zhǔn)電壓源、解碼網(wǎng)絡(luò)和放大器幾個(gè)組成部分。D/A轉(zhuǎn)換器一般有兩種分類(lèi)方式。按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同可分為以下幾類(lèi)：T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器；權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器；權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。按模擬電子開(kāi)關(guān)電路的不同可分為以下幾類(lèi)：CMOS開(kāi)關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器；雙極型開(kāi)關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器-電流開(kāi)關(guān)型；雙極型開(kāi)關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器-ECL電流開(kāi)關(guān)型。DAC原理分析與驗(yàn)證D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成與分類(lèi)T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理示意圖如下?？梢钥闯?，T型電阻網(wǎng)絡(luò)有如下特點(diǎn)：（1）從任何一個(gè)結(jié)點(diǎn)向左或向右到地或虛地端的等效電阻相等均為R。（2）從任何一模擬開(kāi)關(guān)到地或虛地端的等效電阻相等，均為3R。模擬開(kāi)關(guān)Si是接地還是接基準(zhǔn)電壓

，受輸入的二進(jìn)制碼D3、D2、D1、D0控制?？傠娏鳛橛蛇\(yùn)放的工作原理可知，輸出電壓

為：依次類(lèi)推，n位T型電阻網(wǎng)絡(luò)DAC，則輸出電壓為

DAC原理分析與驗(yàn)證D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成與分類(lèi)倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理示意圖如下。從結(jié)點(diǎn)A、B、C、D向右看，其等效電阻均為R，基準(zhǔn)電源的總電流為

，電流每流過(guò)一個(gè)結(jié)點(diǎn)，就均分為兩路相等的電流。因此，各模擬開(kāi)關(guān)S3、S2、S1、S0流過(guò)的電流分別為而與開(kāi)關(guān)的狀態(tài)無(wú)關(guān)。流入求和運(yùn)算放大器的電流為：這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。求和運(yùn)算放大器的輸出電壓：當(dāng)Rf=R時(shí)，如果是n位的DAC,并設(shè)Rf=R，則

表達(dá)式為：倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)由于流過(guò)各支路的電流恒定不變，故在開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)，不需電流建立時(shí)間，所以該電路轉(zhuǎn)換速度快，尖峰脈沖干擾較小，是使用最廣泛的一種D/A轉(zhuǎn)換器。

DAC原理分析與驗(yàn)證D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成與分類(lèi)權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的原理示意圖如下所示。由于電路中存在模擬開(kāi)關(guān)電壓降，當(dāng)流過(guò)各支路的電流稍有變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換誤差。為進(jìn)一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入數(shù)字量的某一位數(shù)碼

時(shí)，開(kāi)關(guān)

接運(yùn)算放大器的反向端，相應(yīng)權(quán)電流流出求和電路，當(dāng)

=0時(shí)，

接地。分析該電路，可得權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是速度快、并且當(dāng)采用了恒流源電路后，各支路權(quán)電流的大小均不受開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻和壓降的影響，降低了對(duì)開(kāi)關(guān)電路的要求，提高了轉(zhuǎn)換精度。

DAC原理分析與驗(yàn)證D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成與分類(lèi)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理示意圖如下所示。由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)和求和放大器組成，S0-S3為模擬開(kāi)關(guān)，它們的狀態(tài)分別受輸入代碼

的取值控制。=1時(shí)開(kāi)關(guān)接參考電壓

上，此時(shí)有支路電流

流向求和放大器；

時(shí)開(kāi)關(guān)接地，此時(shí)支路電流為零。權(quán)電流：求和放大器是一個(gè)接成負(fù)反饋的運(yùn)算放大器。為了簡(jiǎn)化分析計(jì)算，可以把運(yùn)算放大器近似地看成理想放大器—即它的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)為無(wú)窮大，輸入電流為零（輸入電阻為無(wú)窮大），輸出電阻為零。

DAC原理分析與驗(yàn)證D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成與分類(lèi)權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器那么根據(jù)運(yùn)算放大器的知識(shí)，可得求和放大器輸出為若取

，則上式可化簡(jiǎn)為上式表明，輸出的模擬電壓正比于輸入的數(shù)字量D，從而實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。當(dāng)D=0時(shí)=0。從上面的分析計(jì)算可以看到，在

為正電壓時(shí)輸出電壓

始終為負(fù)值。要想得到正的輸出電壓，可以將

取為負(fù)值。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，所用的電阻元件數(shù)很少。而缺點(diǎn)是各個(gè)電阻阻值相處較大，尤其在輸入信號(hào)的位數(shù)較多時(shí)，這個(gè)問(wèn)題更加突出。要想在極為寬廣的阻值范圍內(nèi)保證每個(gè)電阻都有很高的精度是十分困難的，尤其對(duì)制作集成電路更加不利。

DAC原理分析與驗(yàn)證D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成與分類(lèi)其他類(lèi)型的D/A轉(zhuǎn)換器還有其他類(lèi)型的D/A轉(zhuǎn)換器，如逐次逼近型ADC中的電容二進(jìn)制加權(quán)DAC：開(kāi)關(guān)樹(shù)型DAC：

DAC原理分析與驗(yàn)證DAC的主要性能指標(biāo)分辨率：分辨率說(shuō)明D/A轉(zhuǎn)換器分辨最小輸出電壓的能力，通常用最小輸出電壓與最大輸出電壓之比表示。對(duì)于一個(gè)n位的D/A轉(zhuǎn)換器，分辨率可表示為轉(zhuǎn)換誤差：換誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器輸入端加最大數(shù)字量時(shí)，實(shí)際輸出的模擬電壓與理論輸出模擬電壓的最大誤差。通常要求D/A轉(zhuǎn)換器的誤差小于轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指D/A轉(zhuǎn)換器從數(shù)碼輸入開(kāi)始，到輸出的模擬電壓達(dá)到穩(wěn)定值所需的時(shí)間，也稱(chēng)為轉(zhuǎn)換時(shí)間。一般取輸入由全0變成全1或反之，其輸出達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間越小，工作速度就越高。DAC原理分析與驗(yàn)證DAC原理測(cè)試與驗(yàn)證M209板卡上的為倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換原理電路，電路原理圖如下所示。據(jù)前面的分析，該4位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換電路的計(jì)算公式為可見(jiàn)當(dāng)輸入?yún)⒖茧妷簽檎妷簳r(shí)，輸出為負(fù)電壓，因此，在電路圖中，在求和運(yùn)算放大器后級(jí)加上了一個(gè)負(fù)反饋比例運(yùn)算放大器，比例系數(shù)為1，目的是將D/A得出的電壓反相為正電壓。因此，輸出電壓為DAC原理分析與驗(yàn)證DAC原理測(cè)試與驗(yàn)證按照以下連線(xiàn)示意圖完成連線(xiàn)，撥動(dòng)開(kāi)關(guān)輸入不同的數(shù)字量值，使用萬(wàn)用表