数模转换转器DAC基本原理剖析

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1、电路分析专题研讨数模转换转器DAC基本原理剖析数模转换转器DAC基本原理剖析扌商要：在信息处理技术方面，为解决数字信号与模拟信号间转换的问题，产生TDAC数字-模拟转换器，将计算机二进制编码转换成被处理的物理量，即模拟信号。本文详细阐述了R-2R网络型D/A转换器的基本原理，通过运用等效方法和叠加原理推导出了R-2R网络型D/A转换的基本规律：Vo=k*(2n-1Dn.l+-+21D1+2°D。).并且运用EWB工作台进行静态特性验证和动态波形输出的仿真，系统地阐明TDAC数模转换器的工作原理。关键词：数模转换、EWB仿真、数字控

2、制电压增益1引言：随着数字技术，特别是数字计算机的迅猛发展，人类在处理可靠性、精度等重要指标方面有了更加高的要求。由于数字信号具有比模拟信号更加稳定，更易压缩，更易传输，失真率小的优越性，因此数字信号与模拟信号的转换成了当今科研的热点课题。本文主要介绍数字信号与模拟信号转换的桥梁之一——DAC数模转换器的基木原理，DAC：将计算机或控制器产生的二进制数字转换成与之成比例的模拟电压。并运用EWB工作台进行仿真，验证结论。2D/A转换器基木原理推导：图2—1是3位R-2R网络型D/A转换器的基本原理图，主要由电阻网络、3个单刀双掷模拟

3、开关、参考电压V,及运算放大器四部分组成。图中的电阻网络由3个R-2R网络块，每块对应一个输入位，块与块之间串联成R-2R电阻网络。对于每个屯阻网络块，若输入的二进制代码是1,则开关拨向电压源那端的触点,参考电压接入了该电阻网络中。若输入的是0则开关拨向空载导线那端的触点，此时，电压源未接入网络屮。考虑运算放大器的“虚地”特性，无论输入数字量D.为何值每个2K欧姆的电阻的下端都相当于接地，所以从每个1K欧姆电阻向右看过去对地电阻都是2K欧姆。因此，网络屮电压的分配应该是，从参考电源输出的总电压比每向右经过一个2K欧姆电阻，该电阻上

4、的电压就被分为一半。所以，从右向左数第n个电压源分给电阻R'的电压就是l/(2n-l)Vs,由叠加原理可知加载在R'上的电压是1/3(1/2浪+1/2'口+1/2匕)・由运放的虚短路特性可知,V.=V=Vo就是加在电阻R'上的电压。综上所述：V。二(1/12)*(2^2+20+20)Vs2—1D/A转换器的EWB仿真先探究D/A转换器的静态特性，手动控制3个单刀双掷开关，再打开工作台电源进行仿真，其电路图如下(图3-1)：从000到111所冇数字信号对应的模拟电压，如表3—1所示:表3--1数字信号0000010100111001

5、01110111模拟电压值(V)01234567因为V=12V,将数字信号逐个带入公式Vo=22D2+2,D1+2°Do)«P，恰好得到表屮仿真所得的模拟屯压值。仿真结果表明D/A转换器基本原理推导正确。由静态特性仿真结果可知，只耍改变每一时刻数字发生器的二进制代码则可控制每一时刻输出的模拟电压值。这样就可以产生模拟信号的波形，实现了从数字信号到模拟信号的转换。图3—2是原理图。图3-2下面将用EWB输出动态波形：方波、三角波、锯齿波。其仿真结果如下:O••■for4□V»t4C»Mf・Q・・图3-3方波1因4Q1G乜_JV]•I

6、oC^AAAAA.eooazmO・caH・・u—■■*■»■图3-4锯齿波图3—5二角波我们给出三角波一个周期的数字信号（周期是16微秒，每微秒产生一个数字信号）：如表3—2所示时间（微秒）12345678910111213141516数字信号000001002003004005006007007006005004003002001000表3―24设计一个数字控制增益的电压放大器由以上原理分析可知，数字发生器产生代码控制单刀双掷开关，改变输出电压的值，实际上，输入的电压不变，木质的上是改变了该电压放大器的增益。因此，改变电路中的阻

7、值可以改变电压增益，同时改变电路结构也可以增加数字代码的输入位数。卜•面我们展示一个V0=nkVi,其中n=0-15,k=2,Vi二+/-5V的数字控制增益的电压放大器的原理图（图4—1）,及EWB仿真结果（图4—2）o<111丨4・图4一1■OscAlltfscepv设从电源输入的电流为i,输入的电压为Vs,输出电压为V。。由上文所推的原理相似，电流每经过一次2k电阻，电流减半。又因为从电源向右看的对地电阻为lk欧姆，所以从电源流出的电流i为:i二Vs/lOOO.代入上文所推公式Vo=k*(2n_1Dn-1+-+2lD1+2°D

8、o)中得:i=(Vs/2*lK)*(23D3+22D2+2lDl+2°Do)从而推导岀运放输岀电压为：V。二2*(23D3+22D2+21D1+2°Do)*5V在多种D/A转换器中，R-2R网络型D/A转换器又具冇更大的优越性，因为其电阻网中就只有