D/A转换器

一、实验目的

1、  研究D/A转换器数字输入与模拟输出之间的关系。

2、  研究怎样设置D/A转换器的输出范围。

3、  研究怎样测量D/A转换器的输出偏移电压。

4、  研究怎样提高D/A转换器的分辨率。

5、  研究怎样测试D/A转换器器的分辨率。

二、实验仪器

5V、10V直流电源                    各1个

逻辑开关                             8个

逻辑探头                             8个

D/A转换器                            1个

异步计数器7493                       1个

           74191                     1个

2KΩ电位器                           1个

10V电压表                            1个

信号发生器                           1台

示波器                               1台

三、实验原理

        我们把从数字信号到模拟信号的转换称为数/模转换或D/A转换，把实现D/A转换的电路称为D/A转换器,简称DAC。D/A转换的过程是，先把输入数字量的每一位代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，即可得到与该数字量成正比的模拟量，从而实现数字/模拟转换。DAC通常由译码网络、模拟开关、求和运算放大器和基准电压源等部分组成。

DAC的满度输出电压，为全部有效数码1加到输入端时DAC的输出电压值。满度输出电压决定了DAC的输出范围。

DAC的输出偏移电压，为全部有效数码0加到输入端时DAC的输出电压值。在理想的DAC中，输出偏移电压为0。在实际的DAC中，输出偏移电压不为0。许多DAC产品设有外部偏移电压调整端，可将输出偏移电压调0。

DAC的转换精度与它的分辨率有关。分辨率是指DAC对最小输出电压的分辨能力，可定义为输入数码只有最低有效位1时的输出电压U_LSB与输入数码为全1时的满度输出电压U_m之比，即

                分辨率=

图1 D/A转换器电路

当U_m为一定值时，输入数字代码的位数n越多，则分辨率越小，分辨能力越高。

图1为8位电压输出型DAC电路，这个电路可加深我们对DAC数字输入与模拟输出关系的理解。DAC满度输出电压的设定方法为，首先在DAC数码输入端加全1（11111111），然后调整2KΩ电位器使满度电压值达到输出电压的要求。

图2 DAC输出波形

在图2电路中，一个8位电压输出型DAC与7493  4为二进制计数器相连，计数器的输入时钟脉冲由1KHz信号发生器提供。电路中只有DAC低4位输入端接到计数器的输出端，高4位输入端接地。这就意味着这个DAC最多只有15级模拟电压输出，而不是通常8位DAC的255级。计数器在计到最后一个二进制数1111时，将复位到0000，并开始新一轮计数。因此在示波器的屏幕上，所看到的DAC模拟电压输出曲线像是一个15级楼梯。通过测量示波器曲线图上第15级的最大电压值，可确定DAC的满度输出电压。这个电压将小于全8位数码输入时255级DAC的满度数出电压。

在图3电路中，一个8位电压输出型DAC与两各级联的74191  4为二进制计数器连接，两个74191连成8位计数器。这种连接方式使8位DAC能够覆盖0—5V整个输出范围，并完成255级8位计数。值得注意的是，与15级计数的曲线图相比，255级计数的输出电压特性曲线更像一条直线。在任何指定的电压范围内，计数的级数越多，则DAC的输出电压接近真实的模拟信号，数/模转换率也越高。

图3 DAC输出分辨率的测定

四、实验内容

1、在EWB平台上建立如图1所示的实验电路，这是一个8位电压输出型DAC电路，通过这个电路实验，可以使我们进一步来了解数/模转换器数字输入与模拟输出之间的关系。

2KΩ电位器用来设置满度输出电压（即输出电压范围）。开始时所有的输入逻辑开关应该置1。

2、单击仿真开关进行动态分析。调整2KΩ电位器，使DAC输出电压尽量接近5V，这时DAC的满度输出电压设置为5V。

3、按计算机键盘上的数字键0—7，将DAC的数码输入改为00000000，在表1中记录数/模转换器相应的输出电压。

表1   DAC的输出电压

4、按键盘上的数字键，将DAC的8位数码输入改为00000001，在表1中记录数/模转换器相应的输出电压。继续输入表中其余的数码，并记录相应的输出电压，

5、根据DAC的满度输出电压和8位输入的级数，计算图1所示的DAC电路分辨率。

6、根据表1的数据，计算这个DAC的分辨率。

7、单击开关停止仿真。在EWB平台上建立如图2所示的实验电路，这是一个8位电压输出型DAC与4位二进制计数器连接的电路，信号发生器为计数器提供1KHz的输入时钟脉冲。DAC的低4位输入端与计数器的输出端相连，而高4位输入端接地。因此D/A转换器的模拟输出只有15级，而不是通常8位DAC的分辨率和满度输出电压V_OFS。

                分辨率=          

                V_OFS=            

9、单击开关停止仿真。在EWB平台上建立如图3所示的实验电路，这是一个8位电压输出型DAC与8位计数器连接的电路，8位计数由两个级连的74191  4 位二进制计数器构成。8位DAC可覆盖0—5V的电压输出范围，并可完成255级8位计数。电路中信号发生器和示波器按图设置。单击仿真开关进行动态分析。注意观察示波器的输出特性曲线，这种输出波形更接近直线，而不像“楼梯”。

五、思考与分析

1、  根据表1的实验数据，对图1所示的电路回答下列问题

（1）       DAC的输出偏移电压有多大？

（2）       DAC的满度输出电压是几伏？

（3）       DAC的分辨率是多少？

（4）       DAC的输出电压与输入数码的大小成比例吗？

2、  步骤5中分辨率的计算值与步骤4中的测量值比较，情况如何？

3、  步骤8中分辨率的计算值与步骤4中的测量值比较，情况如何？

4、  步骤8中满度输出电压分辨率的计算值与步骤2中设定值比较有何差异？

5、  步骤9中，DAC的输出波形像直线而不像“楼梯”的主要原因是什么？有示波器显示的曲线图所测定的DAC满度输出电压是多少？