數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成和特點(diǎn)

DAC主要由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源(或恒流源)組成。用存于數(shù)字寄存器的數(shù)字量的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為1的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其位權(quán)成正比的電流值，再由運(yùn)算放大器對(duì)各電流值求和，并轉(zhuǎn)換成電壓值。

根據(jù)位權(quán)網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成不同類型的DAC，如權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC、R–2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC和單值電流型網(wǎng)絡(luò)DAC等。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的轉(zhuǎn)換精度取決于基準(zhǔn)電壓VREF，以及模擬電子開關(guān)、運(yùn)算放大器和各權(quán)電阻值的精度。它的缺點(diǎn)是各權(quán)電阻的阻值都不相同，位數(shù)多時(shí)，其阻值相差甚遠(yuǎn)，這給保證精度帶來(lái)很大困難，特別是對(duì)于集成電路的制作很不利，因此在集成的DAC中很少單獨(dú)使用該電路。

它由若干個(gè)相同的R、2R網(wǎng)絡(luò)節(jié)組成，每節(jié)對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入位。節(jié)與節(jié)之間串接成倒T形網(wǎng)絡(luò)。R–2R倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)DAC是工作速度較快、應(yīng)用較多的一種。和權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)比較，由于它只有R、2R兩種阻值，從而克服了權(quán)電阻阻值多，且阻值差別大的缺點(diǎn)。

電流型DAC則是將恒流源切換到電阻網(wǎng)絡(luò)中，恒流源內(nèi)阻極大，相當(dāng)于開路，所以連同電子開關(guān)在內(nèi)，對(duì)它的轉(zhuǎn)換精度影響都比較小，又因電子開關(guān)大多采用非飽和型的ECL開關(guān)電路，使這種DAC可以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度較高。

最常見的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將并行二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流，它常用作過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸出通道，與執(zhí)行器相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路還用在利用反饋技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中。

一種將二進(jìn)制數(shù)字量形式的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成以標(biāo)準(zhǔn)量(或參考量)為基準(zhǔn)的模擬量的轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱 DAC

或D/A 轉(zhuǎn)換器。

1.高端儀表促進(jìn)了更快的ADC速度和更多的通道數(shù)與密度，設(shè)計(jì)者必須評(píng)估轉(zhuǎn)換器的輸出格式，以及基本的轉(zhuǎn)換性能。

2.主要的輸出選項(xiàng)是CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)、LVDS(低壓差分信令)，以及CML(電流模式邏輯)。

3.要考慮的問(wèn)題包括:功耗、瞬變、數(shù)據(jù)與時(shí)鐘的變形，以及對(duì)噪聲的抑制能力。

4.對(duì)于布局的考慮也是轉(zhuǎn)換輸出選擇中的一個(gè)方面，尤其當(dāng)采用LVDS技術(shù)時(shí)。 當(dāng)設(shè)計(jì)者有多種ADC選擇時(shí)，他們必須考慮采用哪種類型的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出:CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)、LVDS(低壓差分信令)，還是CML(電流模式邏輯)。ADC中所采用的每種數(shù)字輸出類型都各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合自己的應(yīng)用來(lái)考慮。這些因素取決于ADC的采樣速率與分辨率、輸出數(shù)據(jù)速率，以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功率要求，等等。

D/A轉(zhuǎn)換器的主要特性指標(biāo)包括以下幾方面:

指最小輸出電壓(對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位為"1")與最大輸出電壓(對(duì)應(yīng)的輸入數(shù)字量所有有效位全為"1")之比。如N位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/(2^N-1)。在實(shí)際使用中，表示分辨率大小的方法也用輸入數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示。

用非線性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換的線性度。并且把理想的輸入輸出特性的偏差與滿刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)定義為非線性誤差。

D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度與D/A轉(zhuǎn)換器的集成芯片的結(jié)構(gòu)和接口電路配置有關(guān)。如果不考慮其他D/A轉(zhuǎn)換誤差時(shí)，D/A的轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大小，因此要獲得高精度的D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果，首先要保證選擇有足夠分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器。同時(shí)D/A轉(zhuǎn)換精度還與外接電路的配置有關(guān)，當(dāng)外部電路器件或電源誤差較大時(shí)，會(huì)造成較大的D/A轉(zhuǎn)換誤差，當(dāng)這些誤差超過(guò)一定程度時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換就產(chǎn)生錯(cuò)誤。

在D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程中，影響轉(zhuǎn)換精度的主要因素有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差。

轉(zhuǎn)換速度一般由建立時(shí)間決定。從輸入由全0突變?yōu)槿?時(shí)開始，到輸出電壓穩(wěn)定在FSR±?LSB范圍(或以FSR±x%FSR指明范圍)內(nèi)為止，這段時(shí)間稱為建立時(shí)間，它是DAC的最大響應(yīng)時(shí)間，所以用它衡量轉(zhuǎn)換速度的快慢。

在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高1℃，輸出變化的百分?jǐn)?shù)定義為溫度系數(shù)。

對(duì)于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器，要求開關(guān)電路及運(yùn)算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時(shí)，對(duì)輸出電壓影響極小。通常把滿量程電壓變化的百分?jǐn)?shù)與電源電壓變化的百分?jǐn)?shù)之比稱為電源抑制比。

一般情況下，影響D/A轉(zhuǎn)換精度的主要環(huán)境和工作條件因素是溫度和電源電壓變化。由于工作溫度會(huì)對(duì)運(yùn)算放大器加權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響，所以只有在一定的工作范圍內(nèi)才能保證額定精度指標(biāo)。

較好的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在-40℃~85℃之間，較差的D/A轉(zhuǎn)換器的工作溫度范圍在0℃~70℃之間。多數(shù)器件其靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)均

在25℃的工作溫度下測(cè)得的，工作溫度對(duì)各項(xiàng)精度指標(biāo)的影響用溫度系數(shù)來(lái)描述，如失調(diào)溫度系數(shù)、增益溫度系數(shù)、微分線性誤差溫度系數(shù)等。

失調(diào)誤差(或稱零點(diǎn)誤差)定義為數(shù)字輸入全為0碼時(shí)，其模擬輸出值與理想輸出值之偏差值。對(duì)于單極性D/A轉(zhuǎn)換，模擬輸出的理想值為零伏點(diǎn)。對(duì)于雙極性D/A轉(zhuǎn)換，理想值為負(fù)域滿量程。偏差值的大小一般用LSB的份數(shù)或用偏差值相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

D/A轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出傳遞特性曲線的斜率稱為D/A轉(zhuǎn)換增益或標(biāo)度系數(shù)，實(shí)際轉(zhuǎn)換的增益與理想增益之間的偏差稱為增益誤差(或稱標(biāo)度誤差)。增益誤差在消除失調(diào)誤差后用滿碼。

輸入時(shí)其輸出值與理想輸出值(滿量程)之間的偏差表示，一般也用LSB的份數(shù)或用偏差值相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。

D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差定義為實(shí)際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對(duì)于滿量程的百分?jǐn)?shù)度量。在轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計(jì)中，一般要求非線性誤差不大于±1/2LSB。

數(shù)模轉(zhuǎn)換有兩種轉(zhuǎn)換方式:并行數(shù)模轉(zhuǎn)換和串行數(shù)模轉(zhuǎn)換。圖1為典型的并行數(shù)模轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。虛線框內(nèi)的數(shù)碼操作開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)是基本部件。圖中裝置通過(guò)一個(gè)模擬量參考電壓和一個(gè)電阻梯形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生以參考量為基準(zhǔn)的分?jǐn)?shù)值的權(quán)電流或權(quán)電壓;而用由數(shù)碼輸入量控制的一組開關(guān)決定哪一些電流或電壓相加起來(lái)形成輸出量。所謂"權(quán)"，就是二進(jìn)制數(shù)的每一位所代表的值。例如三位二進(jìn)制數(shù)"111",右邊第1位的"權(quán)"是 20/23=1/8;第2位是21/23=1/4;第3位是22/23=1/2。位數(shù)多的依次類推。圖2為這種三位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本電路,參考電壓VREF在R1、R2、R3中產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流,電流通過(guò)開關(guān)。當(dāng)該位的值是"0"時(shí),與地接通;當(dāng)該位的值是"1"時(shí),與輸出相加母線接通。幾路電流之和經(jīng)過(guò)反饋電阻Rf產(chǎn)生輸出電壓。電壓極性與參考量相反。輸入端的數(shù)字量每變化1，僅引起輸出相對(duì)量變化1/23=1/8,此值稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率。位數(shù)越多分辨率就越高，轉(zhuǎn)換的精度也越高。工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器大多是10位、12位，轉(zhuǎn)換精度達(dá)0.5~0.1%。

串行數(shù)模轉(zhuǎn)換是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成脈沖序列的數(shù)目，一個(gè)脈沖相當(dāng)于數(shù)字量的一個(gè)單位，然后將每個(gè)脈沖變?yōu)閱挝荒M量，并將所有的單位模擬量相加，就得到與數(shù)字量成正比的模擬量輸出，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換。

隨著數(shù)字技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理廣泛采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)象往往都是一些模擬量(如溫度、壓力、位移、圖像等)，要使計(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別、處理這些信號(hào)，必須首先將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);而經(jīng)計(jì)算機(jī)分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號(hào)才能為執(zhí)行機(jī)構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間起橋梁作用的電路--模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC,Analog to Digital Converter);將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器(簡(jiǎn)稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC,Digital to Analog Converter);A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的接口電路。

為確保系統(tǒng)處理結(jié)果的精確度，A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器必須具有足夠的轉(zhuǎn)換精度;如果要實(shí)現(xiàn)快速變化信號(hào)的實(shí)時(shí)控制與檢測(cè)，A/D與D/A轉(zhuǎn)換器還要求具有較高的轉(zhuǎn)換速度。轉(zhuǎn)換精度與轉(zhuǎn)換速度是衡量A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)。 隨著集成技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)已研制和生產(chǎn)出許多單片的和混合集成型的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，它們具有愈來(lái)愈先進(jìn)的技術(shù)指標(biāo)。本章將介紹幾種常用A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用。

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來(lái)表示的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換。這就是組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想。

圖11.1.1表示了4位二進(jìn)制數(shù)字量與經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后輸出的電壓模擬量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 由圖11.1.1還可看出，兩個(gè)相鄰數(shù)碼轉(zhuǎn)換出的電壓值是不連續(xù)的，兩者的電壓差由最低碼位代表的位權(quán)值決定。它是信息所能分辨的最小量，也就是我們所說(shuō)的用1LSB(Least Significant Bit)表示。對(duì)應(yīng)于最大輸入數(shù)字量的最大電壓輸出值(絕對(duì)值)，用FSR(Full Scale Range)表示。

D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路及基準(zhǔn)電壓幾部分組成。數(shù)字量以串行或并行方式輸入、存儲(chǔ)于數(shù)碼寄存器中，數(shù)字寄存器輸出的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為1的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其權(quán)值成正比的電流值，再由求和電路將各種權(quán)值相加，即得到數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。

按解碼網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同

T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器 權(quán)電流D/A轉(zhuǎn)換器

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

按模擬電子開關(guān)電路的不同

CMOS開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器(速度要求不高)

雙極型開關(guān)D/A轉(zhuǎn)換器 電流開關(guān)型(速度要求較高)

ECL電流開關(guān)型(轉(zhuǎn)換速度更高)

如果CCD的質(zhì)量能夠滿足一定色彩位數(shù)的要求，為了獲得相應(yīng)的輸出效果，就要求有相應(yīng)位數(shù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，才能獲得滿意的效果，如果CCD可以實(shí)現(xiàn)36位精度，卻使用了三個(gè)8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，結(jié)果輸出出來(lái)就只剩下24位的數(shù)據(jù)精度了，這對(duì)于CCD是一種浪費(fèi)，而如果使用三個(gè)16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是實(shí)現(xiàn)了48位的數(shù)據(jù)輸出，但效果與36位比較并無(wú)改善，對(duì)數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是一種浪費(fèi)了。

1. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的系統(tǒng)，一般用低通濾波即可以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)先進(jìn)行解碼，即把數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的電平，形成階梯狀信號(hào)，然后進(jìn)行低通濾波。

根據(jù)信號(hào)與系統(tǒng)的理論，數(shù)字階梯狀信號(hào)可以看作理想沖激采樣信號(hào)和矩形脈沖信號(hào)的卷積，那么由卷積定理，數(shù)字信號(hào)的頻譜就是沖激采樣信號(hào)的頻譜與矩形脈沖頻譜(即Sa函數(shù))的乘積。這樣，用Sa函數(shù)的倒數(shù)作為頻譜特性補(bǔ)償，由數(shù)字信號(hào)便可恢復(fù)為采樣信號(hào)。由采樣定理，采樣信號(hào)的頻譜經(jīng)理想低通濾波便得到原來(lái)模擬信號(hào)的頻譜。

一般實(shí)現(xiàn)時(shí)，不是直接依據(jù)這些原理，因?yàn)榧怃J的采樣信號(hào)很難獲得，因此，這兩次濾波(Sa函數(shù)和理想低通)可以合并(級(jí)聯(lián))，并且由于這各系統(tǒng)的濾波特性是物理不可實(shí)現(xiàn)的，所以在真實(shí)的系統(tǒng)中只能近似完成。

2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的系統(tǒng)，是一個(gè)濾波、采樣保持和編碼的過(guò)程。

模擬信號(hào)經(jīng)帶限濾波，采樣保持電路，變?yōu)殡A梯形狀信號(hào)，然后通過(guò)編碼器，

使得階梯狀信號(hào)中的各個(gè)電平變?yōu)槎M(jìn)制碼。

3. 比較器是將兩個(gè)相差不是很小的電壓進(jìn)行比較的系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的比較器就是運(yùn)算放大器。

我們知道，運(yùn)算放大器在連有深度負(fù)反饋的條件下，會(huì)在線性區(qū)工作，有著增益很大的放大特性，在計(jì)算時(shí)往往認(rèn)為它放大的倍數(shù)是無(wú)窮大。而在沒有反饋的條件下，運(yùn)算放大器在線性區(qū)的輸入動(dòng)態(tài)范圍很小，即兩個(gè)輸入電壓有一定差距就會(huì)使運(yùn)算放大器達(dá)到飽和。如果同相端電壓較大，則輸出最大電壓，一般是+12V;如果反相端電壓較大，則輸出最小電壓，一般是-12V。這樣，就實(shí)現(xiàn)了電壓比較功能。

真正的電壓比較器還會(huì)增加一些外圍輔助電路，加強(qiáng)性能。