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1概念
一種將二進制數(shù)字量形式的離散信號轉(zhuǎn)換成以標(biāo)準量（或參考量）為基準的模擬量的轉(zhuǎn)換器，簡稱 DAC或D/A 轉(zhuǎn)換器。
2常見方式
常見的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將并行二進制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流，它常用作過程控制計算機系統(tǒng)的輸出通道，與執(zhí)行器相連，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的自動控制。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)計中。
3構(gòu)成和特點
DAC主要由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運算放大器和基準電壓源（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，再由運算放大器對各電流值求和，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)換精度取決于基準電壓VREF，以及模擬電子開關(guān)、運算放大器和各權(quán)電阻值的精度。它的缺點是各權(quán)電阻的阻值都不相同，位數(shù)多時，其阻值相差甚遠，這給保證精度帶來很大困難，特別是對于集成電路的制作很不利，因此在集成的DAC中很少單獨使用該電路 。
它由若干個相同的R、2R網(wǎng)絡(luò)節(jié)組成，每節(jié)對應(yīng)于一個輸入位。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 。
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可以實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度較高 。
4采樣率
模擬信號在時域上是連續(xù)的，因此可以將它轉(zhuǎn)換為時間上連續(xù)的一系列數(shù)字信號。這樣就要求定義一個參數(shù)來表示新的數(shù)字信號采樣自模擬信號速率。這個速率稱為轉(zhuǎn)換器的采樣率（samplingrate）或采樣頻率（samplingfrequency） 。
可以采集連續(xù)變化、帶寬受限的信號（即每隔一時間測量并存儲一個信號值），然后可以通過插值將轉(zhuǎn)換后的離散信號還原為原始信號。這一過程的度受量化誤差的限制。然而，僅當(dāng)采樣率比信號頻率的兩倍還高的情況下才可能達到對原始信號的忠實還原，這一規(guī)律在采樣定理有所體現(xiàn) 。
由于實際使用的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器不能進行*實時的轉(zhuǎn)換，所以對輸入信號進行一次轉(zhuǎn)換的過程中必須通過一些外加方法使之保持恒定。常用的有采樣-保持電路，在大多數(shù)的情況里，通過使用一個電容器可以存儲輸入的模擬電壓，并通過開關(guān)或門電路來閉合、斷開這個電容和輸入信號的連接。許多模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換集成電路在內(nèi)部就已經(jīng)包含了這樣的采樣-保持子系統(tǒng) 。
5數(shù)字輸出選擇
1.儀表促進了更快的ADC速度和更多的通道數(shù)與密度，設(shè)計者必須評估轉(zhuǎn)換器的輸出格式，以及基本的轉(zhuǎn)換性能 。
2.主要的輸出選項是CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）、LVDS（低壓差分信令），以及CML（電流模式邏輯） 。
3.要考慮的問題包括：功耗、瞬變、數(shù)據(jù)與時鐘的變形，以及對噪聲的抑制能力 。
4.對于布局的考慮也是轉(zhuǎn)換輸出選擇中的一個方面，尤其當(dāng)采用LVDS技術(shù)時。 當(dāng)設(shè)計者有多種ADC選擇時，他們必須考慮采用哪種類型的數(shù)字數(shù)據(jù)輸出：CMOS（互補金屬氧化物半導(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，設(shè)計者應(yīng)結(jié)合自己的應(yīng)用來考慮。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)計的功率要求，等等 。
6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
指小輸出電壓（對應(yīng)的輸入數(shù)字量只有低有效位為“1”）與大輸出電壓（對應(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數(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，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，會造成較大的D/A轉(zhuǎn)換誤差，當(dāng)這些誤差超過一定程度時，D/A轉(zhuǎn)換就產(chǎn)生錯誤。
在D/A轉(zhuǎn)換過程中，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間決定。從輸入由全0突變?yōu)槿?時開始，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，這段時間稱為建立時間，它是DAC的大響應(yīng)時間，所以用它衡量轉(zhuǎn)換速度的快慢 。
7溫度系數(shù)
在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高1℃，輸出變化的百分數(shù)定義為溫度系數(shù)。
電源抑制比
對于高質(zhì)量的D/A轉(zhuǎn)換器，要求開關(guān)電路及運算放大器所用的電源電壓發(fā)生變化時，對輸出電壓影響極小。通常把滿量程電壓變化的百分數(shù)與電源電壓變化的百分數(shù)之比稱為電源抑制比。
工作溫度范圍
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。由于工作溫度會對運算放大器加權(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、動態(tài)指標(biāo)均
在25℃的工作溫度下測得的，工作溫度對各項精度指標(biāo)的影響用溫度系數(shù)來描述，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
失調(diào)誤差（或稱零點誤差）定義為數(shù)字輸入全為0碼時，其模擬輸出值與理想輸出值之偏差值。對于單極性D/A轉(zhuǎn)換，模擬輸出的理想值為零伏點。對于雙極性D/A轉(zhuǎn)換，理想值為負域滿量程。偏差值的大小一般用LSB的份數(shù)或用偏差值相對滿量程的百分數(shù)來表示。
增益誤差
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)或用偏差值相對滿量程的百分數(shù)來表示。
非線性誤差
D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差定義為實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分數(shù)度量。在轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計中，一般要求非線性誤差不大于±1/2LSB。
8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)碼操作開關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)是基本部件。圖中裝置通過一個模擬量參考電壓和一個電阻梯形網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生以參考量為基準的分數(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形成輸出量。所謂“權(quán)”，就是二進制數(shù)的每一位所代表的值。例如三位二進制數(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)生二進制權(quán)電流,電流通過開關(guān)。當(dāng)該位的值是“0”時,與地接通；當(dāng)該位的值是“1”時,與輸出相加母線接通。幾路電流之和經(jīng)過反饋電阻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，一個脈沖相當(dāng)于數(shù)字量的一個單位，然后將每個脈沖變?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)，特別是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機技術(shù)。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖像等），要使計算機或數(shù)字儀表能識別、處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；而經(jīng)計算機分析、處理后輸出的數(shù)字量也往往需要將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬信號才能為執(zhí)行機構(gòu)所接受。這樣，就需要一種能在模擬信號與數(shù)字信號之間起橋梁作用的電路--模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的電路，稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器（簡稱A/D轉(zhuǎn)換器或ADC,Analog to Digital Converter）；將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC,Digital to Analog Converter）；A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器已成為計算機系統(tǒng)中*的接口電路。
為確保系統(tǒng)處理結(jié)果的度，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；如果要實現(xiàn)快速變化信號的實時控制與檢測，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，它們具有愈來愈*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。
9轉(zhuǎn)換原理
數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對于有權(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位二進制數(shù)字量與經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后輸出的電壓模擬量之間的對應(yīng)關(guān)系。 由圖11.1.1還可看出，兩個相鄰數(shù)碼轉(zhuǎn)換出的電壓值是不連續(xù)的，兩者的電壓差由低碼位代表的位權(quán)值決定。它是信息所能分辨的小量，也就是我們所說的用1LSB（Least Significant Bit）表示。對應(yīng)于大輸入數(shù)字量的大電壓輸出值（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)、求和電路及基準電壓幾部分組成。數(shù)字量以串行或并行方式輸入、存儲于數(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)字量對應(yīng)的模擬量。
10分類
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）
11精度位數(shù)
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)換實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，才能獲得滿意的效果，如果CCD可以實現(xiàn)36位精度，卻使用了三個8位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，結(jié)果輸出出來就只剩下24位的數(shù)據(jù)精度了，這對于CCD是一種浪費，而如果使用三個16位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是實現(xiàn)了48位的數(shù)據(jù)輸出，但效果與36位比較并無改善，對數(shù)模轉(zhuǎn)換器就是一種浪費了。
1. 數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的系統(tǒng)，一般用低通濾波即可以實現(xiàn)。數(shù)字信號*行解碼，即把數(shù)字碼轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電平，形成階梯狀信號，然后進行低通濾波。
根據(jù)信號與系統(tǒng)的理論，數(shù)字階梯狀信號可以看作理想沖激采樣信號和矩形脈沖信號的卷積，那么由卷積定理，數(shù)字信號的頻譜就是沖激采樣信號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)作為頻譜特性補償，由數(shù)字信號便可恢復(fù)為采樣信號。由采樣定理，采樣信號的頻譜經(jīng)理想低通濾波便得到原來模擬信號的頻譜。
一般實現(xiàn)時，不是直接依據(jù)這些原理，因為尖銳的采樣信號很難獲得，因此，這兩次濾波（Sa函數(shù)和理想低通）可以合并（級聯(lián)），并且由于這各系統(tǒng)的濾波特性是物理不可實現(xiàn)的，所以在真實的系統(tǒng)中只能近似完成。
2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換器是將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的系統(tǒng)，是一個濾波、采樣保持和編碼的過程。
模擬信號經(jīng)帶限濾波，采樣保持電路，變?yōu)殡A梯形狀信號，然后通過編碼器，
使得階梯狀信號中的各個電平變?yōu)槎M制碼。
3. 比較器是將兩個相差不是很小的電壓進行比較的系統(tǒng)。簡單的比較器就是運算放大器。
我們知道，運算放大器在連有深度負反饋的條件下，會在線性區(qū)工作，有著增益很大的放大特性，在計算時往往認為它放大的倍數(shù)是無窮大。而在沒有反饋的條件下，運算放大器在線性區(qū)的輸入動態(tài)范圍很小，即兩個輸入電壓有一定差距就會使運算放大器達到飽和。如果同相端電壓較大，則輸出大電壓，一般是+12V；如果反相端電壓較大，則輸出小電壓，一般是-12V。這樣，就實現(xiàn)了電壓比較功能。
真正的電壓比較器還會增加一些外圍輔助電路，加強性能。
參考資料
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