什么是数模转换器？

数模转换器，简称D/A转换器或DAC，是一种将数字量转换为模拟量的设备。D/A转换器基本上由四部分组成，即加权电阻网络、运算放大器、参考电源和模拟开关。模数转换器通常需要使用数模转换器。模数转换器，或A/D转换器，或ADC，是一种将连续模拟信号转换为离散数字信号的设备。

一、成分及特点

数模转换器由数字寄存器、模拟电子开关、解码网络、求和运算放大器和参考电压源（或恒流源）组成。电流值然后由运算放大器求和并转换为电压值。

TI数模转换器DAC8760

根据比特加权网络，可以形成不同类型的DAC，例如加权电阻网络DAC、R-2R反相T电阻网络DAC和单值电流网络DAC。

加权电阻网络DAC的转换精度取决于参考电压VREF、模拟电子开关、运算放大器的精度以及每个加权电阻的值。其缺点是每个加权电阻器的电阻值不同。当位数较大时，电阻值差异很大，这使得很难确保精度，尤其是对于集成电路的生产非常不利，因此该电路很少在集成DAC中单独使用。

R-2R倒T形电阻网络DAC由几个相同的R和2R网络部分组成。每个部分对应于一个输入位。R-2R倒T型电阻网络DAC是工作速度较快、使用较多的DAC之一。与加权电阻网络相比，它只有R和2R两个电阻值，从而克服了加权电阻电阻值多和电阻值差异大的缺点。

另一方面，电流型DAC将恒定电流源切换到电阻器网络中。恒流源的内阻很大，相当于开路，因此与电子开关一起，对其转换精度的影响相对较小。由于大多数电子开关都是非饱和ECL开关电路，因此该DAC可以实现高转换精度的高速转换。

二、转换原理

数字量由数字组合的代码表示。对于标题代码，每个代码都有一定的权重。为了将数字量转换为模拟量，每个1位代码必须根据其比特权重的大小转换为相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，得到与数字量成比例的总模拟量，从而实现数模转换。这是构成数模转换器的基本原理。

下图表示D/A转换后输出的电压的4位二进制数字量和模拟量之间的对应关系。该图还显示，从两个相邻数字转换的电压值是不连续的，两者之间的电压差由最低代码位表示的位权重的值决定。它是可以区分的最小信息量，也就是我们所说的由1 LSB（最低有效位）表示的信息量。与最大输入数字量相对应的最大电压输出值（绝对值）由FSR（满量程）表示。

图1 da转换器输入数字量与输出电压的对应关系

D/A转换器由数字寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路和参考电压组成。数字量以串行或并行模式输入并存储在数字寄存器中，数字寄存器输出每个数字以控制相应位的模拟电子开关，使数字1位在位加权网络上产生与其加权值成比例的电流值，然后求和电路将各种加权值相加以获得与数字量相对应的模拟量。

三、性能指标

数模转换器的主要特性包括以下几点。

决议

最小输出电压（只有相应输入数字量的最低有效位为“1”）与最大输出电压（相应输入数字数的所有有效位均为“1）的比值。例如，N位D/A转换器的分辨率为1/（2^N-1）。在实践中，分辨率大小也用输入数字量的位数来表示。

线性

数模转换的线性度用非线性误差的大小来表示。将理想输入输出特性的偏差与满刻度输出比的百分比定义为非线性误差。

转换精度

D/a转换器的转换精度与D/a转换器集成芯片的结构和接口电路的配置有关。如果不考虑其他D/A转换误差，D/A的转换精度就是分辨率的大小。因此，为了获得高精度的D/A转换结果，有必要确保首先选择具有足够分辨率的D/A转换器。此外，D/A转换精度与外部电路的配置有关。当外部电路设备或电源误差较大时，会引起较大的D/a转换误差，当这些误差超过一定水平时，D/a转换会产生误差。

在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素是失谐误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。

转换速度

转换速度通常由建立时间决定。从输入从满0突然变为满1，直到输出电压稳定在FSR±½LSB范围（或FSR±x%FSR指定的范围）。这被称为设置时间，这是DAC的最大响应时间，因此它用于测量转换速度。

四、换算方法

并行数模转换

图2典型并行数模转换器的结构

数模转换有两种转换方法：并行数模转换和串行数模转换。图2显示了一个典型的并行数模转换器的结构。虚线框中的数字操作开关和电阻网络是基本组件。图中的设备通过模拟参考电压和电阻梯形网络生成具有基于参考量的分数值的加权电流或加权电压。由数字输入量控制的一组开关确定将哪些电流或电压相加以形成输出量。“权重”是由二进制数的每一位表示的值。例如，对于三位二进制数字“111”，右边第一位的“权重”为20/23=1/8；第二个数字是21/23＝1/4；第三个数字是22/23＝1/2，以此类推。

图3三位数模转换器的基本电路

图3显示了这个三位数字模拟转换器的基本电路。参考电压VREF在R1、R2和R3中产生二进制加权电流，并且电流通过开关。当位的值为“0”时，它连接到地；当位的值为“1”时，它连接到输出求和总线。若干电流的总和通过反馈电阻器Rf以产生输出电压。电压极性与参考量相反。输入数字量的每一个1的变化只会导致输出相对量的1/23=1/8的变化，这被称为数模转换器的分辨率。位数越高，分辨率就越高，转换的精度也就越高。工业自动控制系统中使用的数模转换器大多为10位、12位，转换精度为0.5%至0.1%。

串行数模转换

串行数模转换是将数字量转换为脉冲序列的数量，一个脉冲相当于一个单位的数字量，然后将每个脉冲转换为单位模拟量。将所有单位模拟量相加，得到与数字量成比例的模拟输出，从而实现数字量和模拟量的转换。

随着数字技术的迅速发展和普及，为了提高系统的性能指标，数字计算机技术被广泛用于信号处理。由于系统的实际对象往往是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），为了使计算机或数字仪器能够识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换为数字信号。而计算机经过分析处理后输出的数字量往往需要转换成相应的模拟信号才能被执行机构接受。这需要一个充当模拟和数字信号之间桥梁的电路——一个模数和数模转换器。

将模拟信号转换为数字信号的电路被称为模数转换器（称为a/D转换器或ADC）。A/D转换器和D/A转换器已经成为计算机系统中不可或缺的接口电路。

为了保证系统处理结果的准确性，A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度；为了实现对快速变化的信号的实时控制和检测，A/D和D/A转换器也需要高的转换速度。转换精度和转换速度是A/D和D/A转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，开发和生产了许多单片和混合集成A/D和D/A转换器，它们具有越来越先进的技术规格。