DA轉換器原理及應用（報告）

D/A轉換器簡介

概述

D/A轉換器的分類

倒T型D/A轉換器電路結構及其工作原理

電路結構

工作原理

D/A轉換器的應用

D/A轉換器和計數器74LS161構成階梯波發生電路

D/A轉換器簡介

概述

D/A轉換器是將數字量轉換爲模擬量的電路，主要用於數據傳輸系統、自動測試設備、醫療信息處理、電視信號的數字化、圖像信號的處理和識別、數字通信和語音信息處理等^[1]。

D/A轉換器的分類

按照解碼網絡結構不同，D/A轉換器可分爲：倒T形電阻網絡D/A轉換器、T形電阻網絡D/A轉換器、權電流D/A轉換器等。

按照模擬開關電路的不同，D/A轉換器可分爲：CMOS開關型和雙極性開關D/A轉換器。其中雙極性開關D/A轉換器還可分爲電流開關型和ECL電流開關型兩種，在速度要求不高的情況下，可選用CMOS開關型D/A轉換器。如果對速度要求較高，則應該選用雙極性電流開關D/A轉換器或更高速的ECL電流開關型D/A轉換器。

倒T型D/A轉換器電路結構及其工作原理

電路結構

以4位倒T形電阻網絡D/A轉換器爲例。電路的原理圖1所示。

工作原理：

圖中呈倒T形的電阻網絡與運算放大器A組成求和電路。模擬開關S_i由輸入數碼D_i控制，當D_i = 0時，S_i接地；當D_i = 1時，S_i 接運算放大器反向端。

工作於線性運用狀態的運放，其反向端虛地，這樣，無論模擬開關S_i 置於何種位置，與S_i 相連的2R從效果上看總是接"地"的，流經每一條2R的電阻之路上的電流與開關狀態無關。分析R-2R電阻網絡可以發現，從每個節點向左看，每一個二端網絡的等效電阻均爲R，與開關相連的2R電阻上的電流從高位到低位按2的負整數冪遞減。如果基準電壓提供的總電流爲$I = \frac{V_{\text{REF}}}{R}$,則流過各個開關支路（從左到右）的電流分別爲$\frac{I}{2}$ 、$\frac{I}{4}$ 、$\frac{I}{8}$ 和 $\frac{I}{16}$。

綜上，可以得到總電流爲：

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

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

輸出電壓

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

如果將輸入數字量拓展到n位，那麼可以得到n位倒T形電阻網絡D/A轉換器輸出模擬與輸入數字量之間的一般關係式：

$v_{O} = - \frac{V_{\text{REF}}}{2^{n}} \cdot \frac{R_{f}}{R}\left\lbrack \sum_{i = 0}^{n - 1}{\ \left( D_{i} \cdot 2^{i} \right)} \right\rbrack$

若將上面的獅子中的$\frac{V_{\text{REF}}}{2^{n}} \cdot \frac{R_{f}}{R}$用K來表示，方括號內的n位二進制數用N_n表示，則上式可以改寫爲

$v_{O} = - KN_{n}$

上式表明，對應每一個二進制數N_B在如圖所示倒T形電阻網絡D/A轉換器中都可以得到閾值成正比的模擬電壓。

由於倒T形電阻網絡D/A轉換器中，各個之路的電流是同時流入運算放大器的輸入端，因此他們之間不存在傳輸上的時間差，所以，電路不僅具有較高的轉換速度，而且在動態過程中輸出端可能出現的尖脈衝也大大減小。

D/A轉換器的應用

在實踐中D/A轉換器的應用範圍很廣，他不僅可以將數字量轉換爲模擬量，而且還可以用於數字量對模擬信號的處理^[2]。

通常，應用D/A轉換器可以做以下電路：

1. 數字式可編程增益控制電路

2. 脈衝波產生電路

以脈衝波產生電路爲例：它可以結合計數器74LS161構成階梯波發生電路。

D/A轉換器和計數器74LS161構成階梯波發生電路

階梯波發生器是在電子電路實驗中應用非常廣泛的信號源之一，在電子測量和自動控制系統中，由階梯信號發生器產生的階梯波信號，可以作爲時序控制信號和多級電位基準信號，從而獲得廣泛應用。

本設計採用D/A轉換器和計數器74LS161構成階梯波發生電路。

74HC161和74LS161都是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器，74HC161是CMOS型，74LS161是TTL型。它可以靈活的運用在各種數字電路，以及單片機系統中實現分頻器等很多重要的功能。

此處採用74LS161，採用反饋清零法，組成模10計數器。74LS161如圖2。

其中$\overline{\text{CLR}}$爲異步清零控制端，$\overline{\text{LOAD}}$爲同步置數控制端，RCO爲進位輸出端，CLK爲時鐘輸入端，ENP、ENT爲計數控制端，D,C,B,A爲並行數據輸入端，QD、QC、QB、QA 爲數據輸出端

74LS161的主要功能如下：

其中~爲該值的反。

異步清零功能：當~CLR爲零時，不論有無時鐘脈衝CLK和其他信號輸入，計數器被清零，即QD~QA都爲0。

同步並行置數功能：當~CLR=1，當~LOAD=0時，在輸入時鐘脈衝CLK上升沿的作用下，並行輸入的數據DCBA被置入計數器，即Qd~Qa=DCBA。

計數功能：當~LOAD =~CLR =ENP=ENT=1，當CLK端輸入計數脈衝時，計數器進行二進制加法計數

保持功能：當~LOAD=~CLR 1時，且ENP和ENT中有"0"時，則計數器保持原來狀態不變。

此處應用D/A轉換器爲Multisim元件庫中的8bits VD/ACB元件。

將D/A轉換器的高位D4~D7均置0，將低4位輸入連接到74LS161的QA~QD

最後電路圖如圖4

採用50Hz方波作爲CP脈衝輸入，連接74LS161的CLK，使用5V直流電源爲其供電。在CP信號作用下，QD~QA的輸出爲0000~1001，在D/A轉換器的作用下，輸出波形如圖5。

可以觀察到在第2個、第4個、第6個、第8個下降沿均有"毛刺"出現，特別在第8個下降沿的尖刺特別明顯。經查閱相關資料發現由於D/A轉換器在相鄰編號的輸出端的脈衝波形在時間上有重疊，即在臨界轉換時刻有兩個相鄰的端口導通，使得兩電子並聯，支路分壓增大，輸出端電壓也會出現瞬間增大。隨後跌落正常值。由於D/A轉換器的構造，D2和D3端口的內部支路串聯電阻比其他端口更小，故使得瞬間分壓更大^[3]。

爲除去輸出波形中的"毛刺"。採用RC緩衝電路用於改進其輸出波形^[4]，將一電阻Rs與電容Cs串聯在電路的輸出端口，與示波器並聯。如圖

可以看到輸出波形得到明顯的改善。

輸出電壓可以根據下式計算。

$v_{O} = - \frac{V_{\text{REF}}}{2^{n}} \cdot \frac{R_{f}}{R}\left\lbrack \sum_{i = 0}^{n - 1}{\ \left( D_{i} \cdot 2^{i} \right)} \right\rbrack$

參考文獻

1. 康華光.電子技術基礎------數字部分[M].第五版.高等教育出版社.2005.07：414-423.

2. 曹黎明,潘湧,曹沛其.階梯波電流信號的生成和應用[J].應用激光,1993,(02):87-89.

3. 錢博森.真階梯波發生器[J].電子測量與儀器學報,1991,(04):1-6+62.

4. 戈軍.RC過電壓吸收器在設計中的應用[J].煤礦設計,1995,(06):23-26.