本节内容请也参见视频讲解[录人 8.1.数模转换模数转换.数模转换基本原理.pptx]。

1.数/模转换器的基本原理

10.2.1 数/模转换器的基本原理

数/模（D/A）转换器是一种把数字量转换为模拟量的线性电子器件，它将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出，用于驱动外部执行机构。

D/A转换常用的方法

加权电阻网

加权电阻网要求电阻的种类比较多，制作工艺比较复杂，特别是在集成电路中，受到电阻间阻值差异的限制，从而制约了D/A转换位数的增加（上限为5位）。

T型电阻网

T型电阻网中电阻种类比较少，误差低，制作比较容易，目前大部分使用这种方法。

(1)运算放大器

这一部分知识与模拟电路课程的集成运算放大器内容重合。

在工业控制系统中，一般需要2个环节来实现数字量到模拟量的转换：

第一、把数字量转换成模拟电流，这一步由D/A转换器完成；

第二、将模拟电流转换成模拟电压，这一步由运算放大器完成。

有些D/A转换集成电路芯片中包含有运算放大器，有的没有，这时就需要外接运算放大器。

运算放大器的特点

开环放大倍数很高，正常情况下所需的输入电压非常小；

输入阻抗很高，输入端相当于将一个很小的电压加在一个很大的阻抗上，因此输入电流i极小；

输出阻抗很小，所以驱动能力强。

运算放大器的原理

运算放大器有两个输入端：

同相端，和输出端同相，用“+”表示；

反相端，和输出端反相，用“－”表示；

如图所示，带负反馈电阻的运算放大器，构成反向比例运算器。

其放大倍数为

如下图所示为反相求和运算器，由集成运放、多个输入支路、负反馈电阻构成。

其输出电压与输入电压间的关系为

(2)加权电阻网D/A转换

数字量是由一位一位的数位构成的，每个数位都代表一定的权。

例如：二进制数10000101的第7位、第2位和第0位为1，其余位为0，这8个位的权从高位到低位分别是27、26、25、24、23、22、21、20。该二进制数按权相加之后就得到了十进制数133。

数字量要转换成模拟量，必须把每一位上的代码按权转换成对应的模拟分量，再把各模拟分量相加，所得到的总的模拟量便对应于给出的数字量。

加权电阻网D/A转换就是用一个二进制数字的每一位代码产生一个与其相应权成正比的电压（或电流），然后将这些电压（或电流）叠加起来，就可得到该二进制数所对应的模拟量电压（或电流）信号。

加权电阻网D/A转换器由权电阻、位切换开关、运算放大器组成。

下图为4位二进制D/A转换的电路原理图。

设V^REF= －10V，由上面的示例图中的开关状态可看出，b³ ～ b⁰为1101，则：

I⁰ = V^REF/(8R)；I² = V^REF/(2R)；I³ = V^REF/R

I^out1 = I0 + I2 + I3

= V^REF×(1/8+1/2+1)/R

= 1.625V^REF/R

根据基尔霍夫定律，I^RF=－I^out1，若取RF=R，

则V^out= I^RF * R = －1.625 V^REF = 16.25 (伏)

在权电阻解码网络中，假如采用独立的权电阻，那么对于一个8位的D/A转换器，需要8个阻值相差很大的电阻（R，2R，4R，…，128R）。由于电路对这些电阻的误差要求较高，因此使制造工艺的难度也相应增加。

在实际使用中，使用更多的是T形电阻解码网络。

(3)T型电阻网

T型电阻网D/A转换器由位切换开关、R-2R电阻网络、运算放大器以及参考电压组成。

使用了T型电阻网络之后，整个网络中只有R和2R两种电阻。

这种转换方法与上述加权电阻网络法的主要区别在于电阻求和网络的形式不同，它采用分流原理来实现对相应数字位的转换。

下图为4位二进制D/A转换的电路原理图。

设V^REF= －10V，由上面的示例图中的开关状态可看出，b³ ～ b⁰为1101，则

I³ = V^REF/(2R); I² = I³/2；I¹ = I²/2；I⁰ = I¹/2；

I^out = I³+I²+I⁰=13/8 * I³ = 13V^REF / (16R)

根据基尔霍夫定律，I^RF=－I^out1，若取RF=R，

则

V^OUT=I^RF*R=13V^REF/(16R)=8.125 (伏)

2.数/模转换器的性能参数

分辨率

分辨率是D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数，输入数字量的位数越多，输出电压可分离的等级越多。理论上以可分辨的最小输出电压与最大输出电压之比表示D/A转换器的分辨率；通常以输入数字量的二进制位数表示分辨率。

对于一个N位的D/A转换器，它的分辨率为1/(2N－1)。

例如：8位D/A转换器的分辨率为1/255。

转换精度是某一数字量的理论输出值和经D/A转换器转换的实际输出值之差。

一般用最小量化阶距来度量，例如±1/2 LSB（Least Significant Bit）；也可用满量程的百分比来度量，例如0.05% FSR（Full Scale Range）。

要注意转换精度和分辨率是两个不同的概念：转换精度指转换后所得的实际值相对于理想值的接近程度，取决于构成转换器的各个部件的精度和稳定性。

分辨率指能够对转换结果发生影响的最小输入量，取决于转换器的位数。

当DAC输入由最小的数字量变为最大的数字量时，DAC的输出达到稳定所需要的时间称为DAC的输出建立时间。

建立时间反映了DAC的转换速度。

不同型号的DAC，其建立时间不相同，一般从几个毫微秒到几个微秒。

线性度指当数字量发生变化时，D/A转换器的输出量按比例关系变化的程度。

理想的D/A转换器是线性的，但实际有误差。

通常使用最小数字输入量的分数来给出最大偏差的数值，如±1/2 LSB。

温度系数是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。

一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数，主要用于说明转换器受温度变化影响的特性。

输入代码

输入代码有：二进制码、BCD码和偏移二进制码等。

输出电平

不同型号的DAC，其输出电平不相同，一般是：5V~10V。

3.8位D/A转换器DAC0832

D/A转换芯片是由集成在单一芯片上的解码网络和根据需要而附加上的一些功能电路构成的。

D/A转换器有多种类型。

按DAC的性能分：通用、高速和高精度等。

按内部结构分：不包含数据寄存器的，这种芯片内部结构简单，价格低廉，如AD7520等；包含数据寄存器的，这种可以直接和系统总线相连，如AD7524、DAC0832等。

(1)DAC0832的内部结构及引脚

DAC0832是CMOS工艺制成的8位双缓冲型D/A转换器，其逻辑电平与TTL电平相兼容。

内部阶梯电阻网络形成参考电流，由输入二进制数控制八个电流开关，CMOS的电流开关漏电很小保证了转换器的精度。

DAC0832使用单一电源，功耗低。

建立时间为1us。

输入数据为8位并行输入，有两级数据缓冲器及使能信号、数据锁存信号等，与CPU接口方便。

内部结构如下图所示。

管脚作用和参数请参见教材和[10 附录 芯片速查表\2 datasheet\dac0832.pdf]。

(2)DAC0832的模拟输出

DAC0832的模拟输出是电流形式，因此需要使用运算放大器将电流输出转换为电压输出。根据输入转换的数字量不同，电压输出又分为：

下图是DAC0832单极性电压输出。

下图是DAC0832双极性电压输出。

(3)DAC0832的工作方式

直通方式

单缓冲方式

双缓冲方式