數(shù)模轉(zhuǎn)換器

數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個(gè)部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開(kāi)關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC，它是把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)的器件。
 

1 概念
 

    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。

2 常見(jiàn)方式

　　最常見(jiàn)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。

3 轉(zhuǎn)換方式

　　并行數(shù)模轉(zhuǎn)換

　　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(kāi)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(kāi)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(kāi)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

　　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。

4 性能指標(biāo)

　　D/A轉(zhuǎn)換器的主要特性指標(biāo)包括以下幾方面：

　　分辨率

　　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。

　　線性度

　　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。

　　轉(zhuǎn)換精度

　　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

　　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(kāi)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[1] 。