《数字电子技术项目式教程》课件第5章

项目五锯齿波发生器的实现项目描述

项目分析任务数/模转换器(DAC软件仿真D/A转换器的计算机仿真实验项目实施

小结

习题

项目描述

以数/模(D/A)转换器电路为核心构建一个锯齿波产生电路,锯齿波参数如图5－1所示。图5－1锯齿波参数

项目分析

数字逻辑电路除了对输入的信号进行逻辑运算外,还可以用来产生电子系统中用来仿真和测试的信号。

锯齿波属于模拟信号。可由多种方法产生锯齿波信号,本设计任务是以数/模转换电路为核心构建一个锯齿波产生电路。数/模转换电路的功能,是把n位数字信号D经过DAC(数/模转换器)后输出相应的模拟信号VO,不同的数字信号D对应不同的模拟信号VO

。

图5-2是8位DAC输入与输出关系图,由图中可知DAC输出的是不同电压的阶梯波,如果数字信号D从00000000到11111111呈周期性的线性变化,则DAC输出的阶梯波也呈现周期性的线性变化,对这一周期性变化的阶梯波进行滤波,滤除其高次谐波后,得到的基波即锯齿波。如果数字信号D从00000000到11111111周期性地按正弦规律变化,则DAC输出的模拟电压也按正弦规律变化。图5-28位DAC输入与输出关系图

数/模转换器电路为核心的锯齿波产生电路,除D/A转换器(8位)外,还应有一个产生8位数字信号D的电路,这可由8位数字计数器完成,调整计数脉冲的周期,可方便地调节锯齿波的周期。为此,我们需要学习数/模转换的基本知识、常用技术和常用芯片,并运用所学知识构建锯齿波发生器。

例如,汽车里程表、数字万用表等都是把连续变化的模拟信号转换成数字信号的,如图5－3所示。图5－3

在我们的生活中,复读机、MP3和计算机声卡等都是把储存的数字信号转换成连续变化的声音信号,如图5－4所示。图5－4常用的数字信号转换成模拟信号的器件

通常,把数字量转换为模拟量(电流或电压)的过程称为数/模转换,实现这一转换的电路或器件称为数/模转换器(Digital-AnalogConverter,DAC);把模拟量转换为相应数字

量的过程称为模/数转换,相应的电路或器件称为模/数转换器(Analog-DigitalConverter,ADC)。

任务数/模转换器(DAC)

DAC的原理框图如图5－5(a)所示。图中n位数字信号D经过DAC后输出模拟信号VO。其中,n位数据D采用的是并行输入方式,VREF为实现D/A转换所必需的参考电压。图5－5DAC原理图与理想传输特性

VO、D及VREF三者之间关系可用数学表达式表示为

式中,K是比例系数,不同的DAC有各自对应的K。输入的数字信号通常用n位二进制代码表示,n位数字输入有2

n种二进制数字的组合,对应有2n个模拟电流或电压值。一个3位DAC的理想传输特性如图5－5(b)所示。

必须指出,转换后的模拟信号并不是连续的,其最小值由最低代码位(LSB)的权值决定。这个最小值通常称为量化单位,是信息所能分解的最小量。对于n位二进制代码,该值为满量程的1/(2n-1)。因此数字代码的位数越多,对于同样的满量程输入,输出信号变化的台阶越小,输出信号越接近连续的模拟信号,所以转换精度也可以用数字代码的位数n来直接表示。

5.1.1DAC的主要技术参数

在选择、使用D/A转换器时,首先要考虑选择使用技术参数合适的器件。DAC的主要技术参数分为静态参数、动态参数和极限参数三大类。常用的技术参数主要有分辨率、

转换误差和转换速率等。

1.分辨率(Resolution)

最小输出电压VLSB(或V0min)即量化单位,是指在输入数字量D=Dn-1…D0中,仅当D0=1时,对应的模拟电压输出值。满量程输出AFSR(电压VFSR或电流IFSR)是输入全为1时,对应的输出模拟值。

例如,对于一个8位DAC,当VREF=10V时,满量程输出电压为

为了方便起见,生产厂家往往以VREF代替VFSR(或V0max),如上例则称满量程输出电压VFSR为10V。

对于电流型输出DAC,往往需要外接运算放大器以转换成输出电压,这时输出量程就是IFSR。应该注意输出电流与VREF极性有关。

分辨率是衡量DAC性能的重要静态参数,它表示DAC能够分辨最小输出电压的能力,是其理论上可以达到的精度,它定义为DAC最小输出电压VLSB和满量程输出电压

VFSR(或V0max)的比值,即

其中,n是DAC的位数,位数越多分辨率越高。正因为如此,通常实际产品中也常将位数n直接称为分辨率。

2.转换误差

DAC

的转换误差是指它在稳定工作时,实际模拟信号输出值和理想输出值之间的偏差。造成转换误差的原因有运算放大器的零点漂移、参考电压VREF的波动、模拟开关的导通电阻和导通压降、电阻解码网络中阻值的偏差等等。

3.建立时间与转换速率

建立时间常用于衡量器件的转换速度,所以也称为转换时间。建立时间定义为:DAC输入发生阶跃到输出信号达到规定的误差范围所需的最大时间,规定误差范围为±0.5个

量化单位。

有时也给出转换器每秒的最大转换次数,即转换速率。例如某个高速DAC的转换时间为1μs,也称为转换速率1MHz。

5.1.2常用的D/A转换技术

D/A转换是将输入数字信号转换成相对应的模拟信号输出。常用的D/A转换方式有加权电阻D/A转换、R2RT形电阻D/A转换、加权电流D/A转换等。现代的D/A芯片中,有些是采用上述方式中的一种,更多的是混合应用。基本的DAC芯片内部电路分为四部分:电压基准或电流基准、精密电阻网络、电子开关和电流求和电路。D/A转换器大

多为电流输出形式,有的芯片内集成有运算放大器,可以直接输出电压信号。

1.二进制权电阻网络DAC

以4位D/A转换电路为例,权电阻网络D/A转换器电路如图5－6所示。这是一个电流相加型权电阻网络DAC,图中电路由四部分组成。图5－6权电阻网络DAC原理图

(1)权电阻网络:由4个加权电阻组成,每位输入数据对应一个电阻,阻值与该位的权值成反比。如D3对应20R,D2对应21R,D1对应22R,D0对应23R。它们的作用是对各位二进制数进行加权。

(2)模拟开关:由4个模拟开关组成,每个模拟开关对应一个数据,由数据Di控制模拟开关Si所接的位置,Di=1,Si接通VREF;Di=0,Si接地。Si为模拟电子开关。

(3)参考电压VREF:它是一个基准电压源,要求精度高、稳定性好。

(4)求和输出:由运算放大器构成的反相求和电路组成。反相求和电路对加权后的电流求和,并通过RF输出相应的模拟电压值。

由图5－6可得,流入放大器反相端的总电流为

式中,i=0、1、2、3,所以

输出电压为

通常令RF=R/2,相应的求和放大器输出电压为

那么,对于n位二进制权电阻网络DAC,则有

上式表明,二进制权电阻网络DAC中的量化单位为VREF/2n。

2.倒T形R－2R网络DAC

4位倒T形R2R电阻网络DAC电路如图5－7所示。与图5－4所示权电阻网络DAC相比,权电阻网络中n位数字需要n种阻值的电阻,这对集成电路来说是很难实现的,而倒T形网络尽管电阻个数增加了一倍,但只需要R和2R两种阻值的电阻,所以它便于集成。该电路由四部分组成:R－2RT形电阻网络、模拟开关、基准电压和输出级求和运算放大器。

图5－74位倒T形电阻网络DAC原理图

4位倒T形R－2R电阻网络的等效电路如图5－8所示。由此电路可以看出,R－2R电阻网络的特点是:任何一位数码不论是0还是1,每节电路向左看进去的输入电阻都等于R,即网络中各节点(A、B、C、D)从右向左看进去等效电阻均为R,所以I=VREF/R。根据分流公式,电路中D、C、B、A各支路的电流依次减半,即I3=I/2,I2=I/4,I1=I/8,

I0=I/16,它们就是倒T形电阻网络中各支路的权电流。当Di=1时电流流向运算放大器,当Di=0时电流流向地。图5－84位倒T形电阻网络的等效电路

由此可见,流入放大器反相端的总电流为

通常令RF=R,对应的求和放大器输出电压为

那么,对于n位倒T形R－2R网络DAC,也有

上式表明，倒T形电阻网络DAC中的量化单位也为

VREF/2n。

由于倒T形电阻网络中各权电阻支路都是直接通过模拟开关与运算放大器的反相输入端相连的,所以不存在信号传输延迟问题;又由于模拟开关在切换过程中,各权电阻支

路的电流不变,减小了电流建立时间,并减小了转换过程中的尖峰脉冲,所以提高了DAC的转换速度。

在分析权电阻网络DAC和倒T形电阻网络DAC的过程中,把模拟开关当作理想开关,忽略了它们的导通电阻和导通压降。而实际的电子开关总存在一定的导通电阻,且每

个开关的导通电阻不可能完全相同。导通电阻和导通压降的存在将引起转换误差,影响转换精度。解决这个问题的方法之一就是用恒流源取代图5－5中R－2R倒T形电阻网络,

即倒T形电阻网络中各支路的权电流变为恒流源,这样就构成了权电流网络DAC。

【例5－1】已知某8位DAC电路,当输入数据D

为(10000000)2时,输出模拟电压VO=3.2V。求输入数据D为(10101000)2时的输出模拟电压VO。

解输出模拟电压与输入数字量成正比,(10000000)2=128,(10101000)2=168,因此

【例5－2】已知D/A转换电路,当输入数字量为10000000时,输出电压为5V。试问:该电路的最小分辨电压是多少?最大输出电压是多少?

解D/A转换电路的输出电压为

当输入数字量为10000000时,输出电压为5V,即

则VREF=-10V。

(1)求最小分辨电压。

若输入数字量为00000001,则输出电压是最小分辨电压:

(2)求最大输出电压。

若输入数字量为11111111,则输出电压是最大输出电压:

5.1.3典型DAC器件及其应用

集成DAC芯片的生产厂家与产品型号很多,分辨率有6、8、10、12、13、14、16、18位不等。另外,低电压、低功耗型产品可以工作于+5V、+3.3V或+2.7V,工作电流仅有几十毫安,功耗几毫瓦,非常适合微型设备应用。芯片性能的衡量指标主要有分辨率、速度、线性度、功耗等。

表5－1列出了几种常用的DAC模块。

1.DAC0832的功能

DAC0832采用CMOS工艺和R2RT形电阻网络,具有与计算机接口完全兼容的逻辑电平。它的原理框图和引脚排列图如图5－9所示。

DAC0832由一个8位输入寄存器、一个8位D/A寄存器和一个8位D/A转换器组成。数据进入R－2RT形D/A转换器之前,先通过两个独立控制的8位寄存器,即所谓的

双缓冲。

DAC0832片内没有运算放大器,两个电流IOUT1和IOUT2输出端使用时分别与外接运算放大器的反相端、同相端连接。片内设反馈电阻RFB,运放输出端只要接到RFB引脚即可。

DAC0832器件的引脚功能分别介绍如下:

(9)VREF:参考电压输入端,范围为-10~+10V。

(10)VCC:数字电源电压,范围为+5~+15V,采用+15V最佳。

(11)AGND:模拟地。

(12)DGND:数字地。图5－9DAC0832图5－9DAC0832

2.DAC0832的工作方式

由于DAC0832中含有两个数据寄存器,因而DAC0832有三种工作方式可供选择:单极性双缓冲工作方式、单极性单缓冲工作方式、单极性直通方式。

单极性直通工作方式原理如图5－10(a)所示。由于WR1、WR2、CS、XFER同时接地为低电平,ILE为高电平,所以两个寄存器都处于常通状态。由于这种工作方式中数据寄存器直通,数据直接进入D/A转换器,因而被称为直通方式。图5－10(b)所示是DAC0832单极性直通工作方式实物电路图,运算放大器采用LM358。图5－10DAC0832单极性直通工作电路图

软件仿真

D/A转换器的计算机仿真实验

1.利用仿真软件分析图5－7所示T形电阻网络DAC。要求:

(1)利用软件平台提供的仿真仪表分析电路。

(2)分别读出当D3=1,D2=1,D1=1,D0=1时VO的输出电压,得出输出与输入数据的关系。

(3)若输入数据为(1101)B,VREF=5V,测出输出电压,并计算转换精度。

(4)改变VREF的极性、大小,观察VREF对输出的影响。

2.利用仿真软件分析DAC的工作过程,DAC的输入D3、D2、D1、D0

由字信号发生器产生,输出端连接电压表或示波器。其中,输入二进制数据为D3~D0,电压输出为VO,参考电压VREF为10V。要求:

(1)验证DAC的工作过程。

(2)每位二进制数对应的输出电压是多大?

(3)求出DAC的转换精度。

(4)若VREF为幅度是5V的正弦信号,观察输出的变化。

项目实施

本项目所构成的锯齿波发生器产生的锯齿波信号频率为f0,锯齿波的幅值为Vom,为使锯齿波的线性度更好,在构成锯齿波时,尽量选用分辨率较高的数/模转换器。为此,我们选用DAC0832作为构建锯齿波发生器的芯片,构成的电路如图5－11所示。

图5－11中两片74LS161构成256进制计数器,其输出作为8位数/模转换器DAC0832的输入。随着计数脉冲的累加,计数器输出从00000000~11111111变化,数/模

转换器DAC0832的输出为256个递增的模拟电压,从0逐步上升到最大值,用示波器观察到的输出波形VO就是图5－1中所示的