数字电路逻辑设计课件：11-2.PPT

1、11.2数模转换器（数模转换器（DAC）11.2.1 数模转换原理和一般组成数模转换原理和一般组成11.2.2 权电阻网络权电阻网络DAC11.2.3 R-2R倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC11.2.4 单值电流型网络单值电流型网络DAC11.2.5 DAC的转换精度和转换速度的转换精度和转换速度11.2.1 数模转换原理和一般组成数模转换原理和一般组成数模转换原理数模转换原理图11-2-1 DAC输出特性000000110110100111001111103579111315vO/kDI1101* k为转换比例系数DAC输出模拟量的大小输出模拟量的大小与输入数字量大小成正比。假与输入数字量

2、大小成正比。假设设DAC转换比例系数为转换比例系数为k，则：，则： 210O niiiDkv两个相邻数码转换出的电两个相邻数码转换出的电压值之间的差值，是信息所能压值之间的差值，是信息所能分辨的最小量分辨的最小量(1 LSB)；最大；最大输入数字量对应的输出电压值输入数字量对应的输出电压值(绝对值绝对值)用用FSR表示。表示。1 LSBLeast Significant BitFSRFull Scale RangeDAC的一般组成的一般组成数数 字字 寄寄 存存 器器模模 拟拟 电电 子子 开开 关关位位 权权 网网 络络Dn-1 Dn-2 D1 D0求和运算放大器求和运算放大器vO模拟量模拟

3、量输出输出IVREF基准电压源基准电压源或恒流源或恒流源图11-2-2 DAC原理方框图DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成。运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成。用存放在数字寄存器中用存放在数字寄存器中的数字量的各位的数字量的各位数码数码，分别，分别控制对应位的控制对应位的模拟电子开关模拟电子开关，使数码为的位在位权网络使数码为的位在位权网络上产生上产生与其位权成正比的电与其位权成正比的电流值流值，再由运算放大器对各，再由运算放大器对各电流值电流值求和求和，并，并转换成电压转换成电压值值。不

4、同类型的不同类型的DAC，主要，主要是位权网络不同。是位权网络不同。11.2.2 权电阻网络权电阻网络DAC电路结构电路结构构成权电阻网络的电阻的阻值，与该位的位权值成反比。构成权电阻网络的电阻的阻值，与该位的位权值成反比。数数 字字 寄寄 存存 器器D3D2D1D0VREFS3S2S1S0I3RI22RI122RI023RRFiFivO图11-2-3 权电阻网络DACDi= 0，Si接接地地Di= 1，Si接接VREF工作原理工作原理运算放大器的运算放大器的点是虚地，该点电位总是近似为零。对于点是虚地，该点电位总是近似为零。对于输入二进制数中的任意一位输入二进制数中的任意一位Di有：有：。流

5、为流为，流过该位权电阻的电，流过该位权电阻的电若若流为流为，流过该位权电阻的电，流过该位权电阻的电若若RVIDIDiniiii 1REF21; 00iiniiDRVID 221REF位权电阻的电流为位权电阻的电流为所以，流过所以，流过 2222101REF101REF10 niiinniiinniiDRVDRVIi根据叠加原理：根据叠加原理： 22 /0101FREFFFFOFOFOF niiinDRRVRiRivRvRvi，所以输出电压为：，所以输出电压为：又由于又由于转换比例系数转换比例系数k特点归纳特点归纳权电阻网络权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压的转换精度取决于基准电压VREF

6、以及模拟以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。缺点：由于各权电阻的阻值都不相同，位数越多，相差越缺点：由于各权电阻的阻值都不相同，位数越多，相差越大，阻值的精度难以保证。大，阻值的精度难以保证。由于运算放大器的输入偏置电流近似为，所以：由于运算放大器的输入偏置电流近似为，所以：Fii 输入数字量输入数字量例例11-1 4位位DAC如图如图11-2-3所示，设基准电压所示，设基准电压VREF=- -8V，2RF=R，试求输入二进制数，试求输入二进制数D3D2D1D0=1101时输出的电压值以及时输出的电压值以及LSB和和FSR的值。的值。 V 5

7、 . 61328- 22 4101FREFO niiinDRRVv解输出电压为：解输出电压为：V 5 . 0 12LSB)1()0001(1FREF102 RRVn代入以上公式得：代入以上公式得：将将V 5 . 7 152FSR )15()1111(1FREF102 RRVn代入以上公式得：代入以上公式得：将将D2D1D0VREFS2S1S0IR2R4RiBvO图11-2-4 具有双极性输出的权电阻网络DACiRBVB(=- -VREF)i双极性输出结构双极性输出结构2FRR 在单极性输出在单极性输出DAC的基础上，增加由的基础上，增加由VB和和RB组成的偏移电组成的偏移电路，通常路，通常VB

8、=- -VREF。 F10BB1REFFBFO 22)(RRVDRVRiiRivniiin 例例11-2 假设图假设图11-2-4所示电路中，所示电路中，VREF=- -8V，VB=- -VREF，RF=R/2。如果要使当。如果要使当D2 D1 D0=100时，输出为时，输出为0，求，求RB值；并列值；并列出所有输入出所有输入3位二进制数码所对应的输出电压。位二进制数码所对应的输出电压。 V 28228 0100103OBBREFBBREFOREF012 niiiBDvRRRVRVRViivRViDDD此时，此时，所以，所以，即：，即：，则必有，则必有若要求此时若要求此时，时，时，解当解当根据

9、上式，即可求出所有输入根据上式，即可求出所有输入3位二进制数码所对应的输出位二进制数码所对应的输出电压。电压。D3D2D1D0VREFS3S2S1S02RI/22RI/82RI/162RRFiFivO图11-2-5 4位R-2R倒T形电阻网络DACI/4IDCBA2RI/16RRRI/2I/4I/811.2.3 R- -2R倒倒T形形电阻网络电阻网络DAC电路结构电路结构由若干个相同的由若干个相同的R、2R网络网络节节组成，每节对应于一个输入组成，每节对应于一个输入位，节与节之间串接成倒位，节与节之间串接成倒T形网络。形网络。根据电路结构及运算放大器的特性有：根据电路结构及运算放大器的特性有：

10、RVIDIDIDIDIiREF012316842 其中其中 22222001122334REFDDDDRVi 所以：所以： 22222001122334FREFFFFODDDDRRVRiRiv 输出电压为：输出电压为： 10FREFO22DACniiinDRRVvn位时：位时：为为转换比例系数转换比例系数输入数字量输入数字量工作原理工作原理特点归纳特点归纳由于由于2R电阻两端的电压和流过的电流都不随开关的掷向而电阻两端的电压和流过的电流都不随开关的掷向而改变，不存在对网络中寄生电容的充、放电现象，因而工作速改变，不存在对网络中寄生电容的充、放电现象，因而工作速度和转换精度都有所提高。度和转换精

11、度都有所提高。由于只使用两种阻值的电阻，因此电阻的精度容易保证。由于只使用两种阻值的电阻，因此电阻的精度容易保证。DAC集成片集成片AD7524简介及其应用举例简介及其应用举例AD7524是采用是采用R- -2R倒倒T形电阻网络的形电阻网络的8位位CMOS DAC集成集成片。基准电压可正、可负，该电压的极性改变时，输出电压极片。基准电压可正、可负，该电压的极性改变时，输出电压极性也相应改变。性也相应改变。AD7524内部不含运算放大器，内部不含运算放大器，OUT1端通常外接运算放大端通常外接运算放大器的负输入端，器的负输入端，OUT2接地。接地。8D锁锁存存器器R-2R倒倒T形形电电阻阻网网络

12、络45678910111213CP12161514VDDVREFRFOUT1OUT2D0D1D6D73GND&(a) 结构框图结构框图RFCSWRR2RT1Di&G1G212OUT1OUT2(b) 模拟电子开关模拟电子开关SiVREFT2图11- -2- -6 DAC集成片AD7524运算放大器负输入端运算放大器负输入端运算放大器正输入端，接地运算放大器正输入端，接地RF=R调整基准电压调整基准电压调整放大倍数调整放大倍数调零电位器，零点校准调零电位器，零点校准vOA741456710111213D0D1D6D7CSWR312OUT1OUT2RF23412VRP3RP2RP1VREF10V15

13、14VDD= 12V16AD7524512V150050010k图11- -2- -7 用AD7524构成DAC实例用作数模转换实例用作数模转换增益校准增益校准vO45111213D0D6D7CSWR312OUT1OUT21514VDD16AD7524图11- -2- -8 数字衰减器vIA1F007A2RRF007(VREF)实例构成数字衰减器实例构成数字衰减器 708IO22iiiDvv 708OI22iiiDvv衰减倍数为：衰减倍数为：图11- -2- -9 单值电流型网络DACS0RvO2RD03RS1A3IIRD1BII132S2RD2C3I4I1S32R2R2R2R2RD3DI3I

14、81i11.2.4 单值电流型单值电流型网络网络DAC电路结构电路结构引入恒流源，通过电子开关将恒流源切换到电阻网络或接引入恒流源，通过电子开关将恒流源切换到电阻网络或接地。地。转换比例系数转换比例系数k工作原理工作原理电阻网络的任一个结点（电阻网络的任一个结点（A、B、C、D），个支路的对），个支路的对地电阻值均为地电阻值均为2R，当该结点接通恒流源时，支路电流均为，当该结点接通恒流源时，支路电流均为I/3，向右每经过一个结点又被二等分。向右每经过一个结点又被二等分。依据叠加原理：依据叠加原理： 001122333302112032222213 212121213 DDDDIDDDDIi 3

15、04O2223iiiDRIRiv 10O222DACniiinDRIvn有：有：位位对于对于11.2.5 DAC的转换精度和转换速度的转换精度和转换速度转换精度转换精度分辨率分辨率一般用一般用DAC的位数来衡量分辨率的高低，位数越多，分辨的位数来衡量分辨率的高低，位数越多，分辨能力就越高。能力就越高。此外，也可用此外，也可用DAC能分辨出来的最小输出电压能分辨出来的最小输出电压1 LSB与最与最大输出电压大输出电压FSR之比定义分辨率。之比定义分辨率。 12112FSRLSB 1 nnkk分辨率分辨率该值越小，分辨率越高。该值越小，分辨率越高。转换精度通常用转换精度通常用分辨率分辨率和和转换误

16、差转换误差来描述。来描述。输出输出A( (模拟量模拟量) )FSR最大正误差最大正误差最大负误差最大负误差实际曲线实际曲线理想直线理想直线最大数字量最大数字量输入输入D( (数字量数字量) )O图11- -2- -10 非线性误差转换误差转换误差转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。通常用这个偏差与差。通常用这个偏差与FSR之比的百分数或若干个之比的百分数或若干个LSB表示，表示，它是种误差的综合指标。它是种误差的综合指标。(1) 非线性误差非线性误差主要由模拟电子开关的主要由模拟电子开关的导通电阻和导通压降以及电导通电阻和导通

17、压降以及电阻值的偏差引起，是随机出阻值的偏差引起，是随机出现的。现的。(2) 漂移误差漂移误差由运算放大器的零点漂由运算放大器的零点漂移造成的一种线性误差。移造成的一种线性误差。漂移误差可通过零点校准来消除，但不能在整个温度范围漂移误差可通过零点校准来消除，但不能在整个温度范围内获得校准。内获得校准。(3) 增益误差增益误差由运算放大器增益不稳定和由运算放大器增益不稳定和VREF不稳定造成的一种线性误不稳定造成的一种线性误差。增益校准可以差。增益校准可以暂时暂时消除增益误差。消除增益误差。转换速度转换速度转换速度由转换速度由建立时间建立时间决定。从输入由全决定。从输入由全0突变为全突变为全1开始，开始，到输出电压稳定在到输出电压稳定在FSR(1/2)LSB (或或FSRx%FSR)范围内为范围内为止，这段时间称为止，这段时间称为建立时间建立时间。