《6.2.2da转换剖析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《6.2.2da转换剖析（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、6.2.2 D/A转换,1 D/A转换器概述,3 D/A转换器的主要技术指标,2 D/A转换器,1. D/A转换器概述 数字量是用代码按照数位组合起来表示的，有权码 的每位代码都有一定的权，只有将每一位的代码按其 权的大小转换成相应的模拟量，然后再将这些模拟量 进行相加，才能实现数字量到模拟量的转换，这是 D/A转换器的基本指导思想。,6.2.2 D/A转换,6.2.2 D/A转换,D/A转换器按不同标准分可以大体分为以下几类， 按模拟电子开关电路不同可以分为CMOS开关型和双极型开关D/A转换器，双极型的又分为电流开关型和ECL电流开关型两种，一般情况下CMOS开关型适用于转换速度要求不高的
2、环境，而双极型开关适用于要求转换速度较高的场合。 如果按解码网络结构分可分为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转换器和权电阻网络D/A转换器。其中倒T型电阻网络D/A转换器使用最多。 下面我们选取几个典型的D/A转换电路做简单分析。,6.2.2 D/A转换,（1）T型电阻网络D/A转换器 T型电阻网络D/A转换器其原理图如图6-11所示。由图示可知网络中只有R和2R两种阻值的电阻，这样便于集成制作。,6.2.2 D/A转换,下面来分析一下电路的工作原理，我们先假设D3D2D1D0=0001，1状态表示开关接至VREF，0状态表示开关接地，在0001态下表明第一个
3、开关S0接至VREF，而其余三个开关均接地，由戴维南定理可知，电压VREF每经过一级节点后电压值均衰减1/2，因此当电压VREF到DD端时只有VREF/24，以此类推，其余三个开关分别单独接VREF时，传输到DD端的电压分别为VREF/23、VREF/22、VREF/21。不管在那种情况下DD端的电阻均为R。 根据叠加原理可知，加在T型电阻网络上的等效电压为,6.2.2 D/A转换,如图6-12所示为T型电阻网络D/A转换器的等效电路，,6.2.2 D/A转换,由电路分析可得,由上式可知，输出的电压值是与数字量成正比的，我们可以将4位的T型电阻网络D/A转换器推广至n位，对于n位D/A转换器有
4、,6.2.2 D/A转换,对于T型网电阻络D/A转换器来说，电阻数目较大是该转换器的缺点，因为电阻数目越多，网络传输线路就越长，所以从输入信号开始加到输入端至输出端输出稳定的电压需要一定的传输时间，且位数越多，传输时间越长，就越影响转换器的传输速度。并且输入信号到达各个输入端的时间不等，极有可能在输出端产生尖峰脉冲，从而影响整个网络电路的工作，为了改变这种状况，提高T型电阻网络D/A转换器的传输速度，减小或者抑制输出端尖峰脉冲，我们把该电路改成倒T型电阻网络D/A转换器。,6.2.2 D/A转换,（2）倒T型电阻网络D/A转换器 在D/A转换过程中，有效抑制尖峰脉冲提高转换速度的解决方法就是采
5、用倒T型电阻网络D/A转换器，如图6-13所示。,6.2.2 D/A转换,总电流为,输出电压为,如果输入的数字量扩展到n位，其输出模拟电压信号与输入的数字量之间的关系为,6.2.2 D/A转换,由上式可知电路中每一组输入的二进制数字量，在 其输出端均能得到与之成正比的模拟电压信号。 在该转换器中，由于各支路的电流是直接流入到放大器的输入端的，不存在输入时间上的误差，这样大大提高了电路的转换速度并减小了动态过程中在输出端可能会出现的尖峰脉冲。 为使倒T型电阻网络D/A转换器能够良好的工作，对电路有如下要求：一是基准电压要具有良好的稳定性；二是电阻网络中的R和2R的比值精度要高；三是模拟开关的开关
6、压降要相等，只有这样才能保证电路中的电流从高位到低位是呈2的整数倍递减的。 由于该倒T型电阻网络D/A转换器具有良好的特性，是目前应用最广泛的一种D/A转换器。,6.2.2 D/A转换,（3）权电流D/A转换器 不管是T型还是倒T型电阻网络D/A转换器，我们都把模拟开关当成了理想的开关，并没考虑开关的导通电阻和导通压降，而实际上每一个模拟开关的这些参数又不相同，所以当电流流过每个开关时就会产生转换误差，从而影响电路的转换精度。为了进一步提高改善电路的转换精度，我们的另外一种方法就是采用权电流D/A转换器，如图6-14所示。,倒T型电阻网络由一组恒流源来代替，每个恒流源中电流的大小由高位到低位分
7、别为I/2、I/4、I/8、I/16，也就是说电流的大小是和输入的二进制代码的对应位的位权成正比的，各支路恒流源中电流的大小不再受开关导通电阻和导通压降的影响，提高了电路的转换精度。,6.2.2 D/A转换,在电路中，输入数码Dn控制模拟开关Sn，当Dn=0时，模拟开关接地；当Dn=1时，模拟开关接至放大器的反相输入端，由分析可得输出电压为 如果输入的数字量扩展到n位，其输出模拟电压信号与输入的数字量之间的关系为,6.2.2 D/A转换,在实际的电路中，恒流源的结构经常使用如图 所示。,为保持三极管中集电极电流的稳定，只需要在电路工作时保证基极电压和集电极电压稳定不变即可。每个恒流源中电流的大
8、小由基极电压、集电极电压和集电极电阻决定。由于这种电路采用了高速电子开关，所以电路还具有较高的转换速度。,（4）具有双极型输出的D/A转换器 在实际的电路之中，转换器输入端的数字量是有正负之 分的，这就要求D/A转换过程中，需要将不同极性的数 字量转换成具有正、负极性的模拟电压，即双极性工作方 式。在二进制的运算过程中，经常把带有符号的二进制数 值表示为补码的形式，双极性D/A转换器常用的编码有： 二进制补码、偏移二进制码及符号-数模码。现在我们以 输入4位二进制补码为例，简单说明一下其工作原理，如 表6-3所示，4位的二进制码可以表示从-8到+7之间的 数值。,6.2.2 D/A转换,若将一
9、组二进制代码看做是无符号的二进制代码，即全为正数，以4位为例，当输入为0000时，表示0V，当为1111时，表示15V，如表6-4所示，如果将输出电压偏移-8V，就会得到表的输出。,6.2.2 D/A转换,无符号二进制码与偏移二进制码的形式实际是相同的，它的实质是把二进制代码所对应的模拟量的零偏移了8（也就是实际的8V模拟电压），偏移前的数值中，只有大于8才是正数，小于8为负数，如果D/A转换器输入的数字量是补码形式，我们先将其转换为偏移二进制码，再输入到D/A转换器电路中就会实现双极性输出，实际电路如图6-16所示。,6.2.2 D/A转换,6.2.2 D/A转换,在电路中我们接入反相器和偏
10、移电阻RB以及外加电压VB，组成偏移电路，为了使电路中当输入代码为1000时输出的电压为0V，只要使得电路中的IB和此时的i大小相等就可以实现。因此有,此时，放大器的反相输入端的电流正好为零。 由以上分析可知，只要把补码的符号位求反，再输入到偏移后的转换器上，就可以得到所需的输入与输出之间的关系了，所以我们将电路中最高位反相后再接到具有偏移的D/A转换器的最高位输入端就可以了，如图6-16所示，这样电路的输入为补码，就可以输出正、负极性的电压。,6.2.2 D/A转换,2.D/A转换器的主要技术指标,1）转换精度,2）转换速度,3）温度系数,在D/A转换器中一般用分辨率和转换误差来描述其转换精
11、度。 分辨率是指D/A转换器模拟的输出电压可能被分离的等级，一个n位的D/A转换器中，输出的电压共有2n个状态等级，所以输入数字量的位数越多，其分辨率也越高，在实际电路中，经常用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。我们也可以用输出模拟电压的最小值与最大值的比值来表示转换器的分辨率，比如一个n位的D/A转换器，其分辨率可以表示为1/（2n-1）。这是D/A转换器理论上可以达到的精度。,2.D/A转换器的主要技术指标,1）转换精度,在实际的D/A转换器电路中，由于各个元件的参数及性能存在差异，基准电压的稳定性和放大器的零点漂移的存在，都会对电路产生影响，电路中还会存在转换误差，这些误差会影响
12、电路的转换精度，常见的转换误差有比例系数误差、漂移误差（失调误差）以及非线性误差等。 在D/A转换器中，实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差称为比例系数误差。以n位倒T型电阻网络D/A转换器为例，当基准电压偏离VREF，就会在输出端产生误差电压O,2.D/A转换器的主要技术指标,2.D/A转换器的主要技术指标,由式（6-13）可知,一个3位D/A转换器的比例系数误差如下图所示。,图中的虚 线表示当 基准电压 误差一定 时，实际 输出模拟 电压偏离 理想值的 状况。,2.D/A转换器的主要技术指标,2.D/A转换器的主要技术指标,漂移误差是指由于运算放大器的零点漂移引起的误差，误差的大
13、小与输入端的数字量信号的大小无关，误差使得输出电压转换特性曲线发生平移，这种误差也叫平移误差或者是失调误差。 还有一种误差是没有变化规律的，这种误差既非常数也不和输入的数字量成比例，我们称这种误差为非线性误差，非线性误差一般用偏离理想转移特性的最大值来表示。引起非线性误差的原因很多，其中一个重要的原因就是电路中模拟开关存在导通电阻和导通电压，而且各个模拟开关的导通电阻和电压都不相同。产生非线性误差的另外一个重要的原因就是T型网络中电阻阻值的差别，不仅每个支路上的电阻阻值不同，而且不同位置上的电阻偏差对输出电压的影响也不一样。因此输出端上产生的误差电压与输入数字量之间不可能是线性关系。,2.D/
14、A转换器的主要技术指标,以上几种误差之间也不存在固定的函数关系，所以一个D/A转换器最差的情况就是输出端的误差电压等于上述几种误差绝对值之和。 由以上分析可知，在选取D/A转换器时，不仅要考虑其分辨率，还必须考虑高稳定度的VREF以及低零漂的运算放大器等因素。,2.D/A转换器的主要技术指标,2）转换速度 在D/A转换器中，为了定量描述转换器的转换速度，我们通 常选用建立时间和转换速率两个参数。 所谓的建立时间（tset）是指当输入的数字量发生变化时，输 出的电压从变化到相应的稳定所需要的时间。一般我们选取最大 的建立时间，最大的建立时间就是输入端一组数字量由全0态变 为全1态输出稳定电压的时间。一般单片集成的D/A转换器，建 立时间最短可达0.1s以内，即使在包含参考电压源及运算放 大器的集成D/A转换器中，建立时间最短也可以在1.5s以 内。,2.D/A转换器的主要技术指标,所谓的转换速率（SR）是指以大信号工作状态下输出模 拟电压的变化率。一般的集成的D/A转换速率都是比较高 的。在需求高转换速率的D/A转换器时，还应该选配转换 速率较高的运算放大器。,2.D/A转换器的主要技术指标,3）温度系数 温度系数是指在输入不变的情况下，输出的模拟电压随温度变化产生的变化量。一般选取满刻度输出条件下温度每升高1 0C时，输出电压变化的百分数作为温度系数。,
