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任务9.1 数/模转换器（DAC）
项目9 数/模转换器和模/数转换器
任务9.2 模/数转换器（ADC）
项目导入
实际生活中，经常会把一些微弱的信号放大到便于测量和利用的程度，这就要用到放大电路。放大电路亦称为放大器，它是使用最为广泛的电子电路之一，也是构成其他电子电路的基础单元电路。
提出问题
你了解DAC的结构组成及转换特性吗？DAC的工作原理如何？你对集成数/模转换器DAC0832有哪些了解？
任务9.1 认识数/模转换器
知识目标和技能目标熟练掌握和正确理解DAC的工作原理和主要技术指标；了解集成DAC典型芯片的功能，理解其应用。熟练掌握和正确理解ADC的工作原理和主要技术指标；理解和掌握采样定理；了解集成ADC典型芯片的应用。显然，数/模与模/数是计算机与外部设备的重要接口，也是数字测量和数字控制系统的重要部件。知识准备在自动控制和信息处理技术中，信息的获取、传输、处理和利用都是通过数字系统来实现的。如数字控制系统的组成：被控对象模拟传感器信号采集模拟信号AD转换器数字信号数字信号处理系统数字信号DA转换器执行机构控制信号模拟信号能将数字量D转换成模拟量A的装置称为数/模转换器，用DCA简称；能将模拟量A转换为数字量D的装置称为模/转换器，用ADC简称。传感器ADC数字计算机DAC模拟控制控制对象数字信号模拟信号显然，A/D转换器和D/A转换器是沟通模拟、数字领域的纽带和桥梁，它们不仅是重要的接口电路和核心电路，也是测量和控制系统中不可缺少的组成部分。9.1.1DAC的结构组成及转换特性DAC
数/模转换器是把数字量转变成模拟量的器件，简称为DAC：其中D代表数字量，A代表模拟量，转换器用C表示。
1.DAC的基本概念
构成数字代码的每一位都具有一定的权重。将数字量转换成模拟量时，须将每一位代码按其权重转换成相应的模拟量，然后再将代表各位的模拟量相加，可得与该数字量成正比的模拟量。这就是构成DAC的基本思想。
2. DAC的结构组成
DAC通常由参考电压、译码电路和电子开关3个基本部分组成。为了将模拟电流转换成模拟电压，通常在输出端外加运放。如：
参考电压
译码电路
电子开关
RF
Xn-1
Xn-2
X2
X1
X0
∞
-
+
+
·
·
·
·
·
UR
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
按解码网络结构的不同，DAC可分为T形电阻网络、倒T形电阻网络、权电阻网络等。
2. DAC的分类
DAC的功能
DAC的n位数字代码以串行或并行方式输入并存储在数码寄存器中。
n位
代码输入
数码寄存器
模拟电子开关
解码网络
求和放大器
模拟电压输出
基准电压
n位锁存器的并行输出分别控制n个模拟电子开关的工作状态。通过模拟电子开关，将参考电压按权重加到电阻解码网络。
再由求和放大电路将各位权值所对应的电压（或电流）量相加，即可输出与输入数字量成正比的模拟量。
3. DAC的转换特性
电流转换系数
电压转换系数
DAC的输出模拟量和输入数字量之间的转换关系称为转换特性。对有权码的转换：先将每位代码按其权的大小转换成相应的电压(或电流)，然后求和，即可得到与数字量成正比的总模拟量：
式中2n-1、2n-2……21、20是由n位二进制代码D从高位到低位的权。
当转换系数ku（或ki）=1、n＝3时，根据上式可得DAC的转换特性曲线如图所示：
1
2
3
4
5
6
7
001
010
011
100
101
110
111
uo/V
D
000
理想特性
数字输入
DAC的转换特性曲线
模拟输出
4. DAC的主要技术指标
用来说明DAC最小输出电压与最大输出电压之比。
例
一个8位和一个10位的两个DAC，其分辨率分别为：
从上式可看出：DAC输入数字量的位数n越多，电路的分辨能力越高。因此，有时也用输入数字量的有效位数来表示分辨率的高低。
1.分辨率
2.转换精度
指DAC实际输出的模拟电压与理论输出的模拟电压间的最大误差，即输入端为给定数字量时，DAC输出的实际值与理论值之差。
转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与DAC中的元件参数的精度有关，还与环境温度、求和运算放大器的温度漂移以及转换器的位数有关。
3.建立时间
从DAC输入数字量开始，到输出模拟量且稳定到最终输出量时所需的时间，称为建立时间。显然，数字量的变化越大，建立时间就越长，建立时间反映了DAC电路转换的速度。
9.1.2 DAC的工作原理
1.权电阻网络DAC
RF
Xn-1
Xn-2
X2
X1
X0
∞
-
+
+
·
·
·
·
·
UR
Sn-1
Sn-2
S2
S1
S0
uo
20 R
21 R
2n-2 R
2n-1 R
2n-0 R
DAC的n位二进制输入代码
模拟电子开关
权电阻从最低位到最高位，每一个位置上的电阻都是相邻高位电阻值的2倍。
基准电压
运算放大器对解码网络的输出进行求和放大后输出。
u0
RF
X3
X2
X1
X0
∞
-
+
+
UR
S3
S2
S1
S0
20 R
21 R
22 R
23 R
I1
I3
1
0
1
0
当输入的数字信号为1010时，电子模拟开关的动作受此二进制数控制，相应为“1”的开关接到位置1上；相应数字量为“0”的权电阻由开关S直接到“地”。
位置1上的电子开关，将基准电压UR经电阻引起的电流通入运放的反相输入端，即流入求和电路；
uo
RF
X3
X2
X1
X0
∞
-
+
+
UR
S3
S2
S1
S0
20 R
21 R
22 R
23 R
I1
I3
1
0
1
0
IF
若RF=5kΩ，R=80kΩ时
RF
X3
X2
X1
X0
∞
-
+
+
UR
S3
S2
S1
S0
20 R
21 R
22 R
23 R
uo
IF
仍有RF=5kΩ，R=80kΩ
uo
I1
I3
1
0
1
1
I0
RF
X3
X2
X1
X0
∞
-
+
+
UR
S3
S2
S1
S0
20 R
21 R
22 R
23 R
uo
IF
仍有RF=5kΩ，R=80kΩ
uo
I2
I3
1
1
0
0
显然，输出模拟电压的大小直接与输入的二进制数大小成正比，从而实现了数字量到模拟量的转换。
2. R-2R倒T型网络DAC
∞
-
+
+
RF
UR
Dn-1
Dn-2
D2
D1
D0
uo
Sn-1
Sn-2
S1
S0
S2
结点B
结点C
结点D
结点E
结点A
2R
R
R
R
R
2R
2R
2R
2R
2R
DAC的n位二进制输入代码
模拟电子开关
R-2R倒T型电阻网络
基准电压
运算放大器对电阻网络的输出进行求和放大后输出。
∞
-
+
+
RF
UR
2R
R
R
R
R
2R
2R
2R
2R
Sn-1
Sn-2
S1
S0
S2
结点B
结点C
结点D
结点E
Dn-1
Dn-2
D2
D1
D0
uo
结点A
2R
当R=RF时，输出电压：
I1
I2
I3
I4
I5
I总
2
2
2
2
2
R-2R倒T形电阻网络DAC工作原理分析
1
1
0
0
1
IF
1
1
1
1
1
IA
IB
IC
ID
IE
∞
-
+
+
RF
UR
dn-1
dn-2
d2
d1
d0
uo
Sn-1
Sn-2
S1
S0
S2
结点B
结点C
结点D
结点E
结点A
2R
R
R
R
R
2R
2R
2R
2R
2R
R-2R倒T形电阻网络DAC的优点是只有两种电阻值R和2R，有利于生产制造；由于各支路电流恒定，故开关状态变化时不需要电流建立时间； R-2R倒T形电阻网络DAC中采用了高速电子开关，所以转换速度很高，在数模转换器中被广泛采用。
当DAC0832芯片的控制端处于有效电平时，为直通工作方式；此工作方式下DAC的两个寄存器都处于常通状态，输入数据直接经两个寄存器到达DAC进行转换。实际应用中，直通工作方式常用于连续反馈控制环节，使输出模拟信号快速连续地反映输入数字量的变化。
XFER
4~7
8位
D/A
转换器
≥1
≥1
13~16
19
1
2
17
18
D7~D4
D3~D0
ILE
CS
WR1
WR2
8
12
11
9
3
20
10
UR
IO1
IO2
VCC
AGND
DGND
RF
LE1
LE2
输入
数据
寄存器
8位
DAC
寄存器
&
9.1.3 集成数/模转换器DAC0832
XFER
4~7
8位
D/A
转换器
≥1
≥1
13~16
19
1
2
17
18
D7~D4
D3~D0
ILE
CS
WR1
WR2
8
12
11
9
3
20
10
UR
IO1
IO2
VCC
AGND
DGND
RF
LE1
LE2
输入
数据
寄存器
8位
DAC
寄存器
&
DAC0832内部结构原理图
当DAC0832用于双缓冲器型工作方式时，首先让写信号端引脚2处低电平，将输入数据先锁存在输入寄存器中，需要转换时写信号引脚18接低电平，将数据送入DAC寄存器并进行转换；为实现两个寄存器均可控，实用中给两个寄存器各分配一个端口地址，以便能按端口地址来分两步进行操作。
XFER
4~7
8位
D/A
转换器
≥1
≥1
13~16
19
1
2
17
18
D7~D4
D3~D0
ILE
CS
WR1
WR2
8
12
11
9
3
20
10
UR
IO1
IO2
VCC
AGND
DGND
RF
LE1
LE2
输入
数据
寄存器
8位
DAC
寄存器
&
DAC0832内部结构原理图
当DAC0832用于单缓冲器型工作方式时，DAC寄存器处于常通状态，当需要DA转换时，将写信号端引脚2接低电平，使输入数据经输入寄存器直接存入DAC寄存器中并进行转换。这种工作方式是通过控制一个寄存器的锁存，使两个寄存器同时选通及锁存。
DAC0832引脚功能
集成芯片DAC0832是8位的电流输出型D/A转换器，在对其输入8位数字量后，通过外接运放，即可获得相应的模拟电压。
8位数字输入端
两个电流输出端
电源5~15V输入端
片选信号输入端
数字地端
基准电源输入端
数据选通端
输入锁存允许信号端
反馈电阻接入端
写信号端
写信号端
模拟地端
思考与问题
1
3
2
试述DAC电路转换特性的概念，并写出其转换表达式。
DAC的主要技术指标有哪些？
DAC0832采用了什么制造工艺？内部主要由哪几部分组成？
Sikaoyuwenti
4
R-2R倒T型电阻网络具有什么特点？
从普通的码头技术工人，到全国敬业奉献模范，张连钢是如何“炼成”的？
1983年，张连钢大学毕业分配到青岛港，报名参加第一个集装箱泊位建设，从此与集装箱码头结下了不解之缘。
2013年，自动化码头还是西方的专利，使用他们的专利，不但要花费天价，还要在关键核心技术上被“卡脖子”。面对无经验、无资料、无外援的“三无”境地，张连钢抱着“为中国人争口气”的初心和决心，带领团队开始了艰难探索。38年来，张连钢带领一个平均年龄34岁的团队，“5+2”“白加黑”拼命干，补知识、查资料，开了3000多场专题分析论证会，写出几十万字的分析报告，开工后不分昼夜奋战在建设现场，每天召开工程推进会，协同推进土建、供电、业务、设备、IT系统等十几个专业的建设，破解了十几项世界级难题，让诸多的“不可能”变成了“可能”。先后参与了国家“六五”重点技术攻关项目“国内第一台采用全可控硅直流调速集装箱桥吊的安装调试”工作、“前湾三期智能生产控制系统”的开发应用、轮胎吊“油改电”技术的攻关，带领团队破解了十几项世界级难题，创造出一连串“全球首创”，建成了当今世界上自动化程度最高、作业效率最快的、拥有自主知识产权的亚洲首个真正意义上的全自动化集装箱码头、全球首个5G智慧码头。
伟大事业孕育伟大精神，伟大精神指引伟大事业。张连钢表示，当选全国道德模范，责任更大，使命更重。
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