数模转换电路

数模转换电路
一、概述
数模转换就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量，实现该功能的电路或器件称为数模转换电路，通常称为D/A转换器DAC。

二、D/A转换器的基本原理
基本原理：将输入的每一位二进制代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。

这就是构成D/A转换器的基本思路。

D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分组成。

数字量以串行或并行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为１的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。

1、数模转换器的转换方式
（1）并行数模转换
通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压；而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。

所谓“权”，就是二进制数的每一位所代表的值。

例如三位二进制数“111“,右边第1位的“权”是 20/23=1/8；第2位是21/23=1/4；第3位是22/23=1/2。

位数多的依次类推。

图2为这种三位数模转换器的基本电路,参考电压VREF在R1、R2、R3中产生二进制权电流,电流通过开关。

当该位的值是“0”时,与地接通；当该位的值是“1”时,与输出相加母线接通。

几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。

电压极性与参考量相反。

输入端的数字量每变化1，仅引起输出相对量变化1/23=1/8,此值称为数模转换器的分辨率。

位数越多分辨率就越高，转换的精度也越高。

工业自动控制系统采用的数模转换器大多是10位、12位，转换精度达0.5～0.1％。

（2）串行数模转换
将数字量转换成脉冲序列的数目，一个脉冲相当于数字量的一个单位，然后将每个脉冲变为单位模拟量，并将所有的单位模拟量相加，就得到与数字量成正比的模拟量输出，从而实现数字量与模拟量的转换。

三、D/A转换器的分类
1、电压输出型
电流输出型DA转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流—电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流—电压转换，二是外接运算放大器。

用负载电阻进行电流—电压转换的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出电压范围内使用，而且由于输出阻抗高，所以一般外接运算放大器使用。

此外，大部分CMOS D/A转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。

当外接运算放大器进行电流电压转换时，则电路构成基本上与内置放大器的电压输出型相同，这时由于在DA转换器的电流建立时间上加入了运算放大器的延迟，使响应变慢。

此外，这种电路中运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。

2、乘算型
D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DA转换器。

乘算型DA转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。

四、D/A转换器的主要性能指标
1、分辨率
指最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为“1”)之比。

如N位D/A转换器，其分辨率为1/(2N-1)。

2、转换精度
D/A转换器的转换精度与D/A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。

如果不考虑其他D/A 转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率的大小，因此要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。

同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关，当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，D/A转换就产生错误。

在D/A 转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。

3、编辑本段温度系数
在满刻度输出的条件下，温度每升高1℃，输出变化的百分数定义为温度系数。

4、失调误差(或称零点误差)
失调误差定义为数字输入全为0码时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。

对于单极性D/A转换，模拟输出的理想值为零伏点。

对于双极性D/A转换，理想值为负域满量程。

偏差值的大小一般用LSB 的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。

5、增益误差(或称标度误差)
D/A转换器的输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差称为增益误差。

增益误差在消除失调误差后用满码。

输入时其输出值与理想输出值(满量程)之间的偏差表示，一般也用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。

6、非线性误差
D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。

在转换器电路设计中，一般要求非线性误差不大于±1/2LSB。