北京交通大学：《电路分析》课程教学资源（讲义）01 电阻DAC原理研究

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组W.y电阻DAC原理研究、背景数字技术是当代电子技术和计算机应用的重要工具。在实际应用中，计算机输出的二进制数字需要转换成为连续变化的电压值，完成这个功能的部件叫做数字-模拟转换器（DAC)。..10100001,10100010DAC图1DAC二.原理DAC用集成电路芯片实现。实现DAC有不同的原理，其中一类DAC利用了电阻网络和数字控制的开关组成。图2所示为典型的DAC芯片DAC0832及其内部的开关电阻电路。C图2典型DAC芯片及其内部电阻网络结构图2中的电阻网络称为R-2R电阻网络，其中的电阻2R下端连接的压控开关在数字电压Dk的控制下动作。当Dk="1"时，连接左侧，当Dk="0"时，连接右侧。所谓“1”，通常是指高电压，例如5V，“0”是低电压0V。不同的开关对应了不同的二进制位，图中显示的电路有8个开关，称为8位DAC。位数越多，转换精度越高。用图2所示的电阻网络构成DAC有两种方式，图3显示电路为正向R-2R形式。其中，当某一位Dk=“1”时，对应开关连接Vs，Dk=“0”时接地。输出电压Va或VO电压值与二进制数字量成比例V。=kV,(D,·27++D,·2'+D。2°）。Vs称为参考电压。运放只是起隔离缓冲作用。LV.2oVs2图3正向R-2R形式DAC电路-

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 电阻 DAC 原理研究 一．背景 数字技术是当代电子技术和计算机应用的重要工具。在实际应用中，计算机输出的二进 制数字需要转换成为连续变化的电压值，完成这个功能的部件叫做数字-模拟转换器（DAC）。 DAC . 10100001, 10100010 . 图 1 DAC 二．原理 DAC 用集成电路芯片实现。实现 DAC 有不同的原理，其中一类 DAC 利用了电阻网络 和数字控制的开关组成。图 2 所示为典型的 DAC 芯片 DAC0832 及其内部的开关电阻电路。 D7 D6 D5 D1 D0 图 2 典型 DAC 芯片及其内部电阻网络结构 图 2 中的电阻网络称为 R-2R 电阻网络，其中的电阻 2R 下端连接的压控开关在数字电 压 Dk 的控制下动作。当 Dk=”1”时，连接左侧，当 Dk=”0”时，连接右侧。所谓“1”，通常 是指高电压，例如 5V，“0”是低电压 0V。不同的开关对应了不同的二进制位，图中显示的 电路有 8 个开关，称为 8 位 DAC。位数越多，转换精度越高。 用图 2 所示的电阻网络构成 DAC 有两种方式，图 3 显示电路为正向 R-2R 形式。其中， 当某一位 Dk=“1”时，对应开关连接 Vs，Dk=“0”时接地。输出电压 Va 或 V0 电压值与 二进制数字量成比例 。Vs 称为参考电压。运放 只是起隔离缓冲作用。 2( )22 0 0 1 1 7 0 7 s DkVv  DD  Vs VA D7 D6 D5 D1 D0 + - Vo 图 3 正向 R-2R 形式 DAC 电路 1

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组W.y图4显示电路为倒置R-2R形式。其中，当某一位Dk=“1”时，对应开关连接电流1,输出线，Dk=“0”时接地。输出电流I与二进制数字量成比例。运放与反馈电阻Rb构成了电流-电压转换电路，输出电压VO的幅度与二进制数字量成比例。Vo = -kV.(D, -27 +..+D,-2' +D -2°)Vs2R2R2RD7D6DDV1图4倒置R-2R形式DAC电路三.问题（1）利用叠加定理和戴维南定理分析上面两种DAC电路的工作原理，证明输出电压幅度与二进制数字量成比例。（2）对两种电路，计算从参考电压Vs看进去的等效电阻，两者有什么不同？哪一种更好些？（3）用EWB或Multisim对两种电路进行仿真，为了简化，采用3位DAC结构和手控单刀双掷开关。（4）用仿真方法实现简单波形输出。采用压控开关和二进制数字发生器实现如下（图5）的锯齿波和三角波电压波形。图5用3位DAC产生的两种波形二进制数字发生器可以根据预定的时间间隔输出一系列数字对应的二进制位电压。EWB中的二进制数字发生器面板功能如图6所示。n

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. 图 4 显示电路为倒置 R-2R 形式。其中，当某一位 Dk=“1”时，对应开关连接电流 I1 输出线，Dk=“0”时接地。输出电流 I1 与二进制数字量成比例。运放与反馈电阻 Rb 构成了 电流-电压转换电路，输出电压 V0 的幅度与二进制数字量成比例。 2( )22 0 0 1 1 7 0 7 s DkVv  DD  Vs D7 D6 D5 D1 D0 + - Vo I1 I2 Rb 图 4 倒置 R-2R 形式 DAC 电路 三．问题 （1）利用叠加定理和戴维南定理分析上面两种 DAC 电路的工作原理，证明输出电压 幅度与二进制数字量成比例。 （2）对两种电路，计算从参考电压 Vs 看进去的等效电阻，两者有什么不同？哪一种 更好些？ （3）用 EWB 或 Multisim 对两种电路进行仿真，为了简化，采用 3 位 DAC 结构和手控 单刀双掷开关。 （4）用仿真方法实现简单波形输出。采用压控开关和二进制数字发生器实现如下（图 5）的锯齿波和三角波电压波形。 图 5 用 3 位 DAC 产生的两种波形 二进制数字发生器可以根据预定的时间间隔输出一系列数字对应的二进制位电压。 EWB 中的二进制数字发生器面板功能如图 6 所示。 2

北京交通大学电工电子教学基地电路分析教学组w.y区Torenerat1016进制数字BEdit0000BvdCurrert0008Burstnitia000StepBreakpointPattem.TnggeSIFrequencyMIn888ASCH00Binary0000000000000000二进制数字D+00000000000000-DisD2D,1 Do图6二进制数字发生器（5）如果将上面两种DAC的参考电压Vs作为输入信号，可以实现二进制数字控制放大量的程控增益放大器。用仿真方法验证这个功能。四．实验电路分析实验可能涉及到电阻网络DAC原理，感兴趣的同学可以把这里的分析和仿真与实验结果对照。3

北京交通大学 电工电子教学基地 电路分析教学组 w.y. D15 16进制数字 二进制数字 D D2 D1 D0 图 6 二进制数字发生器 （5）如果将上面两种 DAC 的参考电压 Vs 作为输入信号，可以实现二进制数字控制放 大量的程控增益放大器。用仿真方法验证这个功能。 四．实验 电路分析实验可能涉及到电阻网络 DAC 原理，感兴趣的同学可以把这里的分析和仿真 与实验结果对照。 3