數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器

電子系統(tǒng)中用來連接數(shù)字部件與模擬部件的信息轉(zhuǎn)換裝置。用以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號和模擬信號的相互轉(zhuǎn)換的裝置，統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。數(shù)-模轉(zhuǎn)換器簡稱D/A，模-數(shù)轉(zhuǎn)換器簡稱 A/D。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器用途很多。數(shù)字技術(shù)和微處理機(jī)在信息處理、測量、通信和自動(dòng)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域里的廣泛應(yīng)用需要信息轉(zhuǎn)換技術(shù)，于是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器成為電子系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)件之一。70年代初出現(xiàn)的集成化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，大多是用混合和單片集成電路工藝實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字信息通常是用二進(jìn)制代碼表示;模擬信息通常是用電壓或者電流表示。在一些設(shè)計(jì)中，兩種信息之間的轉(zhuǎn)換具有線性關(guān)系。圖1是三位二進(jìn)制數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器的傳輸特性。它包含8個(gè)模擬電平量級與8個(gè)數(shù)碼一一對應(yīng)。而一個(gè)位二進(jìn)制代碼則對應(yīng) 2個(gè)模擬量級。在數(shù)-模轉(zhuǎn)換器中不能產(chǎn)生兩個(gè)量級之間的輸出電平;在模-數(shù)轉(zhuǎn)換器中,處于兩個(gè)量級之間的模擬輸入電平被轉(zhuǎn)換為相同的數(shù)碼。因而代碼的位數(shù)表征轉(zhuǎn)換器的分辨率，即信息轉(zhuǎn)換的精細(xì)程度。

數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器 這方面的轉(zhuǎn)換技術(shù)主要有 R-2R梯形電阻網(wǎng)絡(luò)方式與小數(shù)二進(jìn)制權(quán)電流方式兩種(圖2)。并行二進(jìn)制輸入數(shù)碼的每一位驅(qū)動(dòng)對應(yīng)的一個(gè)開關(guān)，使它接地或接輸出端，以產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電流分量。權(quán)電流方式常用于雙極型轉(zhuǎn)換器。它允許直接輸出電流和采用電流型邏輯電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)，以獲得高的響應(yīng)速度。R-2R網(wǎng)絡(luò)方式常用于CMOS轉(zhuǎn)換器。高分辨率轉(zhuǎn)換器常需要同時(shí)采用幾種技術(shù)，以減小芯片的面積和保證有足夠的精度。

數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器 由于各位輸入數(shù)碼不能同時(shí)達(dá)到和結(jié)束，或者各個(gè)開關(guān)本身的延遲時(shí)間不同，轉(zhuǎn)換過程通常伴隨著瞬態(tài)尖峰干擾,通常稱為"毛刺",須采用一些新的無"毛刺"轉(zhuǎn)換技術(shù)以滿足某些應(yīng)用場合的嚴(yán)格要求。

主要有積分式轉(zhuǎn)換、逐次逼近轉(zhuǎn)換和并行比較轉(zhuǎn)換三種。

① 積分式轉(zhuǎn)換器:由積分器、比較器、計(jì)數(shù)器、時(shí)鐘發(fā)生器和控制電路構(gòu)成。在幾種積分方法中常用雙斜率法。積分式轉(zhuǎn)換器具有高的分辨率和低的噪聲靈敏度，并且只占用較小的芯片面積。但轉(zhuǎn)換速度低，主要用于數(shù)字電壓表一類測量儀器。

② 逐次逼近轉(zhuǎn)換器:由比較器、逐次逼近寄存器和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。它對輸入量與數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的輸出量進(jìn)行比較。后者按時(shí)鐘節(jié)拍從高位到低位逐次逼近,直至二者的差別小于最低位量值。逐次逼近轉(zhuǎn)換器有高的轉(zhuǎn)換精度和速度，主要用于數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)。

③ 并行轉(zhuǎn)換器:由比較器陣列組成(圖3)。位數(shù)碼需要用2個(gè)比較器。輸入信號同時(shí)送至所有的比較器輸入端。然而每個(gè)比較器的參考電平都不相同，分為2個(gè)量級，由電阻串分壓器供給。輸入電壓值落入某個(gè)量級區(qū)間時(shí)，此量級以下的比較器輸出邏輯"1"信號，而其余的比較器則輸出邏輯"0"信號。比較器陣列的輸出經(jīng)過編碼電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制代碼輸出。并行轉(zhuǎn)換器屬于大規(guī)模集成。例如，一個(gè)雙極型10位轉(zhuǎn)換器，它有1024個(gè)比較器，包含幾萬個(gè)元件,占用芯片面積約1厘米。它具有極高的轉(zhuǎn)換速度,主要用于雷達(dá)、電視圖像和波形存儲等高速信息處理系統(tǒng)。

數(shù)-模和模-數(shù)轉(zhuǎn)換器