电路分析专题研讨-数字-模拟转换器(DAC)原理研究.docx

数字-模拟转换器（DAC）原理研究题目描述：图 1-1 可作为研究DA 转换电路的模型，其中开关20，21，22分别与三位二进制数相对应。当二进制数为“1”时开关接入相应电压Vs，为“0”时开关接地。设Vs=12V。(1)列出从000 到111 所有数字信号对应的模拟电压。（2） 若每隔1us 可以给出一个数字信号，试给出一种产生周期为16us，幅度为7V 的锯齿波和三角波和方波的数字信号方案（仅给出一个波形周期的数字信号即可）。用EWB 软件仿真你的设计方案。（3）查阅DAC0832 芯片手册，分析其倒置R-2R 电阻网络（图1-2）进行DAC 转换原理。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。（4）扩展：设计一个数字控制增益的电压放大器，V0=nkVi，其中n=0-15，k=2,Vi=+/-5V。用EWB 仿真设计结果。方案及原理描述由图11利用等效法和叠加法求V0。叠加定理：由全部独立电源在线性电阻电路中产生的任一电压或电流，等于每一个独立电源单独作用所产生的相应电压或电流的代数和。理论分析及计算由V0=V-=V+知，V0实际为最右端2k电阻上的电压（1） 让Vs1单独作用，使开关21，22接地，Vs2=Vs3=0，此时利用元件约束关系可以将电路逐步简化为：（此时1k两端电压为4 V0，所以回路中的电流大小为4V0 mA，利用KVL可得，V0=112Vs1）(2) 让Vs2单独作用，使开关20，22接地，Vs1=Vs3=0，此时利用元件约束关系可以将电路逐步简化为：（此时左右两条支路的电压均为2 V0, 电流均为V0。）（此时1k两端电压为2V0，回路中的电流为2V0 mA,由KVL知：V0=16Vs2）（3） 让Vs3单独作用，使开关20，21接地，Vs2=Vs1=0，此时利用元件约束关系可以将电路逐步简化为：(此时1k两端电压为V0，回路中电流为V0 mA，由KVL知：V0=13Vs3)。综上，有叠加法有：V0=112Vs1+16Vs2+13Vs3。仿真实验方案设计仿真电路仿真结果开关实验202122计算数据(V)电压表示数(V)100000.000210011.000301022.000411033.000500144.000610155.000701166.000811177.000方案及原理描述由2.1DA转换电路模型结果可知，不同二进制数字分别对应着不同的电压。利用信号发生器的三个端口分别输出三个二进制数字，使其对应8个不同的电压值。由于输出信号幅值为7V，则该问题中二进制数字位数及对应情况恰与2.1相同。若要产生模拟信号则需要不停的有序控制开关动作从而实现电压由 0V 变化到 7V。数字信号发生器可以产生一系列电压，本题中数字信号与模拟信号按二进制进行转化，为输出一个电压值开关就需要有开有闭， 在同一时刻做到开关的有开有闭需要用到“非门”元件，用 1 表示连通，用 0 表示没有连通。 非门的输出结果与输入正好相反，如输入有信号，但输出为 0（无信号），没有输入信号，但输出为 1（有信号连通）。根据“非门” 元件的性质我们可以用一个 “非门” 元件同时连接两个开关 1 和 2，其中 1 号开关是电压控开关并且与电源相连，当电压是 1V 是开关闭合，2号开关也是一个电压控开关但与地相 连。信号发生器每隔1us发出一个数字信号，信号从0V变化到7V一共8个单位，而要产生周期为16us的信号，则每个信号输出2us。仿真方案设计在信号发生器中进行不同的设置，则会出现锯齿波、三角波和方波三种波形，周期均为16us仿真电路仿真结果锯齿波方波 三角波方案及原理描述 通过对DAC0832芯片手册的查阅，可知该芯片是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。DAC0823芯片内部原理图如下：在该芯片中：IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V。为进一步了解其转换原理，以下图为例分析其电流电压情况并推导其输出电压：理论分析及计算由于在芯片所处的电路中，以任一支路看，电路的等效电阻均为R，所以各支路的电流分别为（VREF/R）/2、（VREF/R）/2）/2即第a 条支路的电流为（VREF/R/(2a)；那么回路中的总电流为I=（VREF/R）*（1/2+1/22+1/2a)；由于-V0 / Rf=I，即有V0= -（1/2+1/22+1/2a）*（VREF*Rf）/R。仿真电路仿真结果电源电压（V）推导结果（V）电压表示数（V）54.9224.92287.8757.875109.8449.8441514.76614.77拓展实验设计一个数字控制增益的电压放大器，V0=nkVi，其中n=0-15，k=2, Vi=+/-5V。用EWB仿真设计结果。仿真实验方案设计由以上对DAC转换电路的原理分析可得，数字控制增益的电压放大器电路图如下：其中，n=1/2+1/22+1/2a;k=Rf/R; Vi=VREF仿真电路仿真结果(Vi=5V)n0123456V005.0007.5008.7509.3759.6879.844发挥和扩展（1）研究DA转换电路时，负极是否接地电压表示数出现差异。例如：当输入为111时，接地情况下输出为7V，不接地情况下输出为20V。（2）实验中，若右侧电阻2R接地，则实验结果正确， 若不接地，电路图简化如下，此时输出电压与输入电压大小相等，较仿真结果偏大。结论：除（2）外，都得出了比较完整的仿真结果，（2）中输出的波形不是十分正确。设计方案基本都达到要求。参考文献：基础电路分析/闻跃.高岩.杜普.清华大学出版社.北京交通大学出版社心得和总结通过本次实验，主要收获分为知识上的和能力上的两点：在知识方面，小组成员通过EWB软件的使用和对电路的分析计算，更加深入的了解到电路分析相关知识在实验中的应用。同时也对EWB软件有了进一步的了解。能够用EWB软件进行简单电路的仿真。了解了有关数字模拟转换器的知识，为今后更为深入和系统的学习电路分析的相关知识打下了良好的基础。在能力方面，本组在完成实验过程中遇到很多困难和阻力。通过成员