DA转换器原理及应用(报告)

D/A转换器简介

概述

D/A转换器的分类

倒T型D/A转换器电路结构及其工作原理

电路结构

工作原理

D/A转换器的应用

D/A转换器和计数器74LS161构成阶梯波发生电路

D/A转换器简介

概述

D/A转换器是将数字量转换为模拟量的电路,主要用于数据传输系统、自动测试设备、医疗信息处理、电视信号的数字化、图像信号的处理和识别、数字通信和语音信息处理等[1]

D/A转换器的分类

按照解码网络结构不同,D/A转换器可分为:倒T形电阻网络D/A转换器、T形电阻网络D/A转换器、权电流D/A转换器等。

按照模拟开关电路的不同,D/A转换器可分为:CMOS开关型和双极性开关D/A转换器。其中双极性开关D/A转换器还可分为电流开关型和ECL电流开关型两种,在速度要求不高的情况下,可选用CMOS开关型D/A转换器。如果对速度要求较高,则应该选用双极性电流开关D/A转换器或更高速的ECL电流开关型D/A转换器。

倒T型D/A转换器电路结构及其工作原理

电路结构

以4位倒T形电阻网络D/A转换器为例。电路的原理图1所示。

DA转换器原理及应用(报告)_第1张图片

工作原理:

图中呈倒T形的电阻网络与运算放大器A组成求和电路。模拟开关Si由输入数码Di控制,当Di = 0时,Si接地;当Di = 1时,Si 接运算放大器反向端。

工作于线性运用状态的运放,其反向端虚地,这样,无论模拟开关Si 置于何种位置,与Si 相连的2R从效果上看总是接"地"的,流经每一条2R的电阻之路上的电流与开关状态无关。分析R-2R电阻网络可以发现,从每个节点向左看,每一个二端网络的等效电阻均为R,与开关相连的2R电阻上的电流从高位到低位按2的负整数幂递减。如果基准电压提供的总电流为 I = V REF R I = \frac{V_{\text{REF}}}{R} I=RVREF,则流过各个开关支路(从左到右)的电流分别为 I 2 \frac{I}{2} 2I I 4 \frac{I}{4} 4I I 8 \frac{I}{8} 8I I 16 \frac{I}{16} 16I

综上,可以得到总电流为:

i Σ = V REF R ( D 0 2 4 + D 1 2 3 + D 2 2 2 + D 3 2 1 ) i_{\Sigma} = \frac{V_{\text{REF}}}{R}\left( \frac{D_{0}}{2^{4}} + \frac{D_{1}}{2^{3}} + \frac{D_{2}}{2^{2}} + \frac{D_{3}}{2^{1}} \right) iΣ=RVREF(24D0+23D1+22D2+21D3)

= V REF 2 4 R ∑ i = 0 3 D i ∙   2 i = \frac{V_{\text{REF}}}{2^{4}R}\sum_{i = 0}^{3}{D_{i}{\bullet \ 2}^{i}} =24RVREFi=03Di 2i

输出电压

v O = − i Σ R f = − R f R ⋅ V REF 2 4 ∑ i = 0 3   ( D i ⋅ 2 i ) v_{O} = - i_{\Sigma}R_{f} = - \frac{R_{f}}{R} \cdot \frac{V_{\text{REF}}}{2^{4}}\sum_{i = 0}^{3}{\ \left( D_{i} \cdot 2^{i} \right)} vO=iΣRf=RRf24VREFi=03 (Di2i)

如果将输入数字量拓展到n位,那么可以得到n位倒T形电阻网络D/A转换器输出模拟与输入数字量之间的一般关系式:

v O = − V REF 2 n ⋅ R f R [ ∑ i = 0 n − 1   ( D i ⋅ 2 i ) ] v_{O} = - \frac{V_{\text{REF}}}{2^{n}} \cdot \frac{R_{f}}{R}\left\lbrack \sum_{i = 0}^{n - 1}{\ \left( D_{i} \cdot 2^{i} \right)} \right\rbrack vO=2nVREFRRf[i=0n1 (Di2i)]

若将上面的狮子中的 V REF 2 n ⋅ R f R \frac{V_{\text{REF}}}{2^{n}} \cdot \frac{R_{f}}{R} 2nVREFRRf用K来表示,方括号内的n位二进制数用Nn表示,则上式可以改写为

v O = − K N n v_{O} = - KN_{n} vO=KNn

上式表明,对应每一个二进制数NB在如图所示倒T形电阻网络D/A转换器中都可以得到阈值成正比的模拟电压。

由于倒T形电阻网络D/A转换器中,各个之路的电流是同时流入运算放大器的输入端,因此他们之间不存在传输上的时间差,所以,电路不仅具有较高的转换速度,而且在动态过程中输出端可能出现的尖脉冲也大大减小。

D/A转换器的应用

在实践中D/A转换器的应用范围很广,他不仅可以将数字量转换为模拟量,而且还可以用于数字量对模拟信号的处理[2]

通常,应用D/A转换器可以做以下电路:

  1. 数字式可编程增益控制电路

  2. 脉冲波产生电路

以脉冲波产生电路为例:它可以结合计数器74LS161构成阶梯波发生电路。

D/A转换器和计数器74LS161构成阶梯波发生电路

阶梯波发生器是在电子电路实验中应用非常广泛的信号源之一,在电子测量和自动控制系统中,由阶梯信号发生器产生的阶梯波信号,可以作为时序控制信号和多级电位基准信号,从而获得广泛应用。

本设计采用D/A转换器和计数器74LS161构成阶梯波发生电路。

74HC161和74LS161都是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器,74HC161是CMOS型,74LS161是TTL型。它可以灵活的运用在各种数字电路,以及单片机系统中实现分频器等很多重要的功能。

此处采用74LS161,采用反馈清零法,组成模10计数器。74LS161如图2。

DA转换器原理及应用(报告)_第2张图片

DA转换器原理及应用(报告)_第3张图片

其中 CLR ‾ \overline{\text{CLR}} CLR为异步清零控制端, LOAD ‾ \overline{\text{LOAD}} LOAD为同步置数控制端,RCO为进位输出端,CLK为时钟输入端,ENP、ENT为计数控制端,D,C,B,A为并行数据输入端,QD、QC、QB、QA 为数据输出端

74LS161的主要功能如下:

其中~为该值的反。

异步清零功能:当~CLR为零时,不论有无时钟脉冲CLK和其他信号输入,计数器被清零,即QD~QA都为0。

同步并行置数功能:当~CLR=1,当~LOAD=0时,在输入时钟脉冲CLK上升沿的作用下,并行输入的数据DCBA被置入计数器,即Qd~Qa=DCBA。

计数功能:当~LOAD =~CLR =ENP=ENT=1,当CLK端输入计数脉冲时,计数器进行二进制加法计数

保持功能:当~LOAD=~CLR 1时,且ENP和ENT中有"0"时,则计数器保持原来状态不变。

此处应用D/A转换器为Multisim元件库中的8bits VD/ACB元件。

DA转换器原理及应用(报告)_第4张图片

将D/A转换器的高位D4~D7均置0,将低4位输入连接到74LS161的QA~QD

最后电路图如图4
DA转换器原理及应用(报告)_第5张图片

采用50Hz方波作为CP脉冲输入,连接74LS161的CLK,使用5V直流电源为其供电。在CP信号作用下,QD~QA的输出为0000~1001,在D/A转换器的作用下,输出波形如图5。

DA转换器原理及应用(报告)_第6张图片

可以观察到在第2个、第4个、第6个、第8个下降沿均有"毛刺"出现,特别在第8个下降沿的尖刺特别明显。经查阅相关资料发现由于D/A转换器在相邻编号的输出端的脉冲波形在时间上有重叠,即在临界转换时刻有两个相邻的端口导通,使得两电子并联,支路分压增大,输出端电压也会出现瞬间增大。随后跌落正常值。由于D/A转换器的构造,D2和D3端口的内部支路串联电阻比其他端口更小,故使得瞬间分压更大[3]

为除去输出波形中的"毛刺"。采用RC缓冲电路用于改进其输出波形[4],将一电阻Rs与电容Cs串联在电路的输出端口,与示波器并联。如图
DA转换器原理及应用(报告)_第7张图片
可以看到输出波形得到明显的改善。

DA转换器原理及应用(报告)_第8张图片

输出电压可以根据下式计算。

v O = − V REF 2 n ⋅ R f R [ ∑ i = 0 n − 1   ( D i ⋅ 2 i ) ] v_{O} = - \frac{V_{\text{REF}}}{2^{n}} \cdot \frac{R_{f}}{R}\left\lbrack \sum_{i = 0}^{n - 1}{\ \left( D_{i} \cdot 2^{i} \right)} \right\rbrack vO=2nVREFRRf[i=0n1 (Di2i)]

参考文献

  1. 康华光.电子技术基础------数字部分[M].第五版.高等教育出版社.2005.07:414-423.

  2. 曹黎明,潘涌,曹沛其.阶梯波电流信号的生成和应用[J].应用激光,1993,(02):87-89.

  3. 钱博森.真阶梯波发生器[J].电子测量与仪器学报,1991,(04):1-6+62.

  4. 戈军.RC过电压吸收器在设计中的应用[J].煤矿设计,1995,(06):23-26.

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