任务二-DAC原理分析与验证

DAC原理分析与验证成都职业技术学院成都卓物科技有限公司DAC原理分析与验证D/A转换器的基本原理数模转换是将数字量转换为模拟电量（电流或电压）使输出的模拟电量与输入的数字量成正比。实现这种转换功能的电路叫数模转换器（DAC）。

一个n位二进制数可以表示为

，其中最高有效位MSB，最低有效位LSB的权依次为

。为了将数字量转换为模拟量，将二进制的每一位与加权计算得到对应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，就得到了与该数字量成正比的模拟量。

设输入的数字量为D，输出模拟量为

，则D/A转换的关系可表述为k为比例系数，又叫转换系数，D为输入的n位二进制数。DAC原理分析与验证D/A转换器的基本组成与分类如下图，n位二进制DAC组成一般包括数字寄存器、模拟开关、基准电压源、解码网络和放大器几个组成部分。D/A转换器一般有两种分类方式。按解码网络结构不同可分为以下几类：T型电阻网络D/A转换器；倒T型电阻网络D/A转换器；权电流D/A转换器；权电阻网络D/A转换器。按模拟电子开关电路的不同可分为以下几类：CMOS开关型D/A转换器；双极型开关D/A转换器-电流开关型；双极型开关D/A转换器-ECL电流开关型。DAC原理分析与验证D/A转换器的基本组成与分类T型电阻网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器原理示意图如下。可以看出，T型电阻网络有如下特点：（1）从任何一个结点向左或向右到地或虚地端的等效电阻相等均为R。（2）从任何一模拟开关到地或虚地端的等效电阻相等，均为3R。模拟开关Si是接地还是接基准电压

，受输入的二进制码D3、D2、D1、D0控制。总电流为由运放的工作原理可知，输出电压

为：依次类推，n位T型电阻网络DAC，则输出电压为

DAC原理分析与验证D/A转换器的基本组成与分类倒T型电阻网络D/A转换器倒T型电阻网络D/A转换器的原理示意图如下。从结点A、B、C、D向右看，其等效电阻均为R，基准电源的总电流为

，电流每流过一个结点，就均分为两路相等的电流。因此，各模拟开关S3、S2、S1、S0流过的电流分别为而与开关的状态无关。流入求和运算放大器的电流为：这样就实现了数字量到模拟量的转换。求和运算放大器的输出电压：当Rf=R时，如果是n位的DAC,并设Rf=R，则

表达式为：倒T形电阻网络由于流过各支路的电流恒定不变，故在开关状态变化时，不需电流建立时间，所以该电路转换速度快，尖峰脉冲干扰较小，是使用最广泛的一种D/A转换器。

DAC原理分析与验证D/A转换器的基本组成与分类权电流D/A转换器权电流D/A转换器的原理示意图如下所示。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转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。当输入数字量的某一位数码

时，开关

接运算放大器的反向端，相应权电流流出求和电路，当

=0时，

接地。分析该电路，可得权电流D/A转换器的优点是速度快、并且当采用了恒流源电路后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。

DAC原理分析与验证D/A转换器的基本组成与分类权电阻网络D/A转换器权电阻网络D/A转换器的原理示意图如下所示。由权电阻网络、模拟开关和求和放大器组成，S0-S3为模拟开关，它们的状态分别受输入代码

的取值控制。=1时开关接参考电压

上，此时有支路电流

流向求和放大器；

时开关接地，此时支路电流为零。权电流：求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器。为了简化分析计算，可以把运算放大器近似地看成理想放大器—即它的开环放大倍数为无穷大，输入电流为零（输入电阻为无穷大），输出电阻为零。

DAC原理分析与验证D/A转换器的基本组成与分类权电阻网络D/A转换器那么根据运算放大器的知识，可得求和放大器输出为若取

，则上式可化简为上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量D，从而实现了从数字量到模拟量的转换。当D=0时=0。从上面的分析计算可以看到，在

为正电压时输出电压

始终为负值。要想得到正的输出电压，可以将

取为负值。权电阻网络D/A转换器的优点是结构比较简单，所用的电阻元件数很少。而缺点是各个电阻阻值相处较大，尤其在输入信号的位数较多时，这个问题更加突出。要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分困难的，尤其对制作集成电路更加不利。

DAC原理分析与验证D/A转换器的基本组成与分类其他类型的D/A转换器还有其他类型的D/A转换器，如逐次逼近型ADC中的电容二进制加权DAC：开关树型DAC：

DAC原理分析与验证DAC的主要性能指标分辨率：分辨率说明D/A转换器分辨最小输出电压的能力，通常用最小输出电压与最大输出电压之比表示。对于一个n位的D/A转换器，分辨率可表示为转换误差：换误差是指D/A转换器输入端加最大数字量时，实际输出的模拟电压与理论输出模拟电压的最大误差。通常要求D/A转换器的误差小于转换速度转换速度是指D/A转换器从数码输入开始，到输出的模拟电压达到稳定值所需的时间，也称为转换时间。一般取输入由全0变成全1或反之，其输出达到稳定值所需要的时间。转换时间越小，工作速度就越高。DAC原理分析与验证DAC原理测试与验证M209板卡上的为倒T型电阻网络D/A转换原理电路，电路原理图如下所示。据前面的分析，该4位倒T型电阻网络D/A转换电路的计算公式为可见当输入参考电压为正电压时，输出为负电压，因此，在电路图中，在求和运算放大器后级加上了一个负反馈比例运算放大器，比例系数为1，目的是将D/A得出的电压反相为正电压。因此，输出电压为DAC原理分析与验证DAC原理测试与验证按照以下连线示意图完成连线，拨动开关输入不同的数字量值，使用万用表