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。

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S_i由输入数码D_i控制，当D_i = 0时，S_i接地；当D_i = 1时，S_i 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S_i 置于何种位置，与S_i 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
$I = frac{V_{text{REF}}}{R}$

I=RVREF​​,则流过各个开关支路（从左到右）的电流分别为
$frac{I}{2}$

2I​ 、
$frac{I}{4}$

4I​ 、
$frac{I}{8}$

8I​ 和
$frac{I}{16}$

16I​。

综上，可以得到总电流为：

$i_{Sigma} = frac{V_{text{REF}}}{R}left( frac{D_{0}}{2^{4}} + frac{D_{1}}{2^{3}} + frac{D_{2}}{2^{2}} + frac{D_{3}}{2^{1}} right)$

iΣ​=RVREF​​(24D0​​+23D1​​+22D2​​+21D3​​)

$= frac{V_{text{REF}}}{2^{4}R}sum_{i = 0}^{3}{D_{i}{bullet 2}^{i}}$

=24RVREF​​∑i=03​Di​∙ 2i

输出电压

$v_{O} = – i_{Sigma}R_{f} = – frac{R_{f}}{R} cdot frac{V_{text{REF}}}{2^{4}}sum_{i = 0}^{3}{ left( D_{i} cdot 2^{i} right)}$

vO​=−iΣ​Rf​=−RRf​​⋅24VREF​​i=0∑3​ (Di​⋅2i)

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：

$v_{O} = – frac{V_{text{REF}}}{2^{n}} cdot frac{R_{f}}{R}leftlbrack sum_{i = 0}^{n – 1}{ left( D_{i} cdot 2^{i} right)} rightrbrack$

vO​=−2nVREF​​⋅RRf​​[i=0∑n−1​ (Di​⋅2i)]

若将上面的狮子中的
$frac{V_{text{REF}}}{2^{n}} cdot frac{R_{f}}{R}$

2nVREF​​⋅RRf​​用K来表示，方括号内的n位二进制数用N_n表示，则上式可以改写为

$v_{O} = – KN_{n}$

vO​=−KNn​

上式表明，对应每一个二进制数N_B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。

其中
$overline{text{CLR}}$

CLR为异步清零控制端，
$overline{text{LOAD}}$

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。

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

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。

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

可以看到输出波形得到明显的改善。

输出电压可以根据下式计算。

$v_{O} = – frac{V_{text{REF}}}{2^{n}} cdot frac{R_{f}}{R}leftlbrack sum_{i = 0}^{n – 1}{ left( D_{i} cdot 2^{i} right)} rightrbrack$

vO​=−2nVREF​​⋅RRf​​[i=0∑n−1​ (Di​⋅2i)]

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.