模數轉換器即A/D轉換器，或簡(jiǎn)稱(chēng)ADC，通常是指一個(gè)將模擬信號轉變?yōu)閿底中盘柕碾娮釉?。通常的模數轉換器是把經(jīng)過(guò)與標準量比較處理后的模擬量轉換成以二進(jìn)制數值表示的離散信號的轉換器。故任何一個(gè)模數轉換器都需要一個(gè)參考模擬量作為轉換的標準，比較常見(jiàn)的參考標準為最大的可轉換信號大小。而輸出的數字量則表示輸入信號相對于參考信號的大小。

 

中文名	簡(jiǎn)稱(chēng)	模數轉換器	輸出最小電壓
數模轉換器	DAC	即A/D轉換器	-12V

 

 

目錄

 

1、數模轉換器的基本原理

2、數模轉換器的構成

3、數模轉換器的主要參數

4、數模轉換器的主要技術(shù)指標

5、數模轉換器的分類(lèi)及特點(diǎn)

6、數模轉換器的應用

7、數模轉換器的基本要求

8、模數轉換器如何工作?

9、數模轉換器的選用

10、數模轉換器的常見(jiàn)方式

 

數模轉換器的基本原理：

將輸入的每一位二進(jìn)制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數字量成正比，這樣便實(shí)現了從數字量到模擬量的轉換。

 

為二進(jìn)制數按位權轉換成的十進(jìn)制數值。

數模轉換器的構成：

DAC主要由數字寄存器、模擬電子開(kāi)關(guān)、位權網(wǎng)絡(luò )、求和運算放大器和基準電壓源（或恒流源）組成。用存于數字寄存器的數字量的各位數碼，分別控制對應位的模擬電子開(kāi)關(guān)，使數碼為1 的位在位權網(wǎng)絡(luò )上產(chǎn)生與其位權成正比的電流值，再由運算放大器對各電流值求和，并轉換成電壓值。

數模轉換器的主要參數：

3.1．分辨率

D/A轉換器的分辨率用最小分辨電壓 VLSB和滿(mǎn)量程輸出電壓VFSV的比值來(lái)表示

3.2．轉換精度

在 D/A 轉換器中，一般用轉換誤差來(lái)描述轉換精度。由于 D/A 轉換器的各個(gè)環(huán)節在參數和性能上與理論值之間不可避免地存在著(zhù)差異，因此，D/A 轉換器的實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓值之間并不完全一致。D/A 轉換器的轉換誤差是指在穩態(tài)工作時(shí)，實(shí)際模擬輸出值和理想輸出值之間的最大偏差。轉換誤差一般用最低有效位的倍數決定。

偏移誤差是指 D/A 轉換器輸出模擬量的實(shí)際起始數值與理想起始數值之差，一般由運算放大器的零點(diǎn)漂移引起，在設計D/A轉換電路時(shí)，為了減少偏移誤差，應選用低漂移的運算放大器。

3.3．轉換速度

D/A 轉換器的轉換速度通常用建立時(shí)間 tset來(lái)描述。建立時(shí)間 tset 指從輸入數據改變到輸出進(jìn)入規定的誤差范圍（一般為±1/2LSB）所需的最大時(shí)間。因為輸入數字量變化越大，建立時(shí)間越長(cháng)，所以，數據手冊中一般給出從全 0 到全1 時(shí)的建立時(shí)間。普通 D/A 轉換器的建立時(shí)間為幾到幾百微秒，如 AD7520 的 建立時(shí)間為 1μs；高速 D/A 轉換器的建立時(shí)間小于幾微秒，如 AD9708 的建立時(shí)間為 35ns。

 

數模轉換器的主要技術(shù)指標：

4.1.分辯率(Resolution) 指數字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號的變化量，定義為滿(mǎn)刻度與2n的比值。分辯率又稱(chēng)精度，通常以數字信號的位數來(lái)表示。

4.2. 轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時(shí)間的倒數。積分型AD的轉換時(shí)間是毫秒級屬低速AD，逐次比 較型AD是微秒級屬中速AD，全并行/串并行型AD可達到納秒級。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念，是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成，采樣速率 (Sample Rate)必須小于或等于轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps，表 示每秒采樣千/百萬(wàn)次（kilo / Million Samples per Second）。

4.3.量化誤差 (Quantizing Error) 由于A(yíng)D的有限分辯率而引起的誤差，即有限分辯率AD的階梯狀轉移特性曲線(xiàn)與無(wú)限分辯率AD（理想AD）的轉移特 性曲線(xiàn)（直線(xiàn)）之間的最大偏差。通常是1 個(gè)或半個(gè)最小數字量的模擬變化量，表示為1LSB、1/2LSB。

4.4.偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時(shí)輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。

4.5.滿(mǎn)刻度誤差(Full Scale Error) 滿(mǎn)度輸出時(shí)對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。

4.6.線(xiàn)性度(Linearity) 實(shí)際轉換器的轉移函數與理想直線(xiàn)的最大偏移，不包括以上三種誤差。

其他指標還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ，相對精度(Relative Accuracy)，微分非線(xiàn)性，單調性和無(wú)錯碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫(xiě)THD）和積分非線(xiàn)性。

 

數模轉換器的分類(lèi)及特點(diǎn)：

根據位權網(wǎng)絡(luò )的不同，可以構成不同類(lèi)型的DAC，如權電阻網(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。

權電阻網(wǎng)絡(luò )DAC 的轉換精度取決于基準電壓VREF，以及模擬電子開(kāi)關(guān)、運算放大器和各權電阻值的精度。它的缺點(diǎn)是各權電阻的阻值都不相同，位數多時(shí)，其阻值相差甚遠，這給保證精度帶來(lái)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(gè)相同的R、2R網(wǎng)絡(luò )節組成， 每節對應于一個(gè)輸入位。節與節之間串接成倒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、 應用較多的一種。和權電阻網(wǎng)絡(luò )比較，由于它只有R、2R兩種阻值，從而克服了權電阻阻值多，且阻值差別大的缺點(diǎn)。

電流型DAC則是將恒流源切換到電阻網(wǎng)絡(luò )中，恒流源內阻極大，相當于開(kāi)路，所以連同電子開(kāi)關(guān)在內，對它的轉換精度影響都比較小，又因電子開(kāi)關(guān)大多采用非飽和型的ECL開(kāi)關(guān)電路，使這種DAC可以實(shí)現高速轉換，轉換精度較高。

數模轉換器的應用：

D/A 轉換器在電子系統中應用極為廣泛，除了在微機系統中將數字量轉化為模擬量典型應用之外，還常用于波形生成、各種數字式的可編程應用。

6.1．波形發(fā)生器

6.2．數控直流穩壓電源

6.3．數字式可編程增益控制電路

 

數模轉換器的基本要求：

數模轉換有兩種轉換方式：并行數模轉換和串行數模轉換。

并行數模轉換器，數碼操作開(kāi)關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò )是基本部件。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)生以參考量為基準的分數值的權電流或權電壓；而用由數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”，就是二進(jìn)制數的每一位所代表的值。例如三位二進(jìn)制數“111“，右邊第1位的“權”是 2 /2 =1/8；第2位是2 /2 =1/4；第3位是2 /2 =1/2。位數多的依次類(lèi)推。這種三位數模轉換器的基本電路，參考電壓VREF 在R1 、R2 、R3 中產(chǎn)生二進(jìn)制權電流,電流通過(guò)開(kāi)關(guān)。當該位的值是“0”時(shí)，與地接通；當該位的值是“1”時(shí)，與輸出相加母線(xiàn)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。輸入端的數字量每變化1，僅引起輸出相對量變化1/2 =1/8，此值稱(chēng)為數模轉換器的分辨率。位數越多分辨率就越高，轉換的精度也越高。工業(yè)自動(dòng)控制系統采用的數模轉換器大多是10位、12位，轉換精度達0.5～0.1％。

串行數模轉換是將數字量轉換成脈沖序列的數目，一個(gè)脈沖相當于數字量的一個(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，就得到與數字量成正比的模擬量輸出，從而實(shí)現數字量與模擬量的轉換。

 

 

模數轉換器如何工作?

模數轉換一般要經(jīng)過(guò)采樣、保持和量化、編碼這幾個(gè)步驟。下面我們以∑-△A/D轉換器為例來(lái)簡(jiǎn)單介紹一下其工作原理。∑-△A/D轉換器的工作原理，就是將初次轉換后的數字信號再做信號除噪處理。

總體來(lái)說(shuō)，∑-△A/D轉換器有兩大部分，模擬部分和數字部分，模擬部分是一個(gè)∑-△調制器，主要使采用過(guò)采樣技術(shù)采樣后信號經(jīng)過(guò)調制器，使量化噪聲分布更廣，并且輸出一位一位的數據位流，數字部分是一個(gè)數字濾波器，它對模擬部分輸出的數字量進(jìn)行除噪處理，濾除大部分的量化噪聲，并對調制器的輸出降頻至奈奎斯特頻率和進(jìn)行進(jìn)一步的量化，最終得到輸出結果。

 

數模轉換器的選用：

9.1. 數模轉換器是將數字信號轉換為模擬信號的系統，一般用低通濾波即可以實(shí)現。數字信號先進(jìn)行解碼，即把數字碼轉換成與之對應的電平，形成階梯狀信號，然后進(jìn)行低通濾波。

根據信號與系統的理論，數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）的乘積。這樣，用Sa函數的倒數作為頻譜特性補償，由數字信號便可恢復為采樣信號。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(lái)模擬信號的頻譜。

一般實(shí)現時(shí)，不是直接依據這些原理，因為尖銳的采樣信號很難獲得，因此，這兩次濾波（Sa函數和理想低通）可以合并（級聯(lián)），并且由于這各系統的濾波特性是物理不可實(shí)現的，所以在真實(shí)的系統中只能近似完成。

9.2. 模數轉換器是將模擬信號轉換成數字信號的系統，是一個(gè)濾波、采樣保持和編碼的過(guò)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(guò)編碼器，使得階梯狀信號中的各個(gè)電平變?yōu)槎M(jìn)制碼。 

9.3. 比較器是將兩個(gè)相差不是很小的電壓進(jìn)行比較的系統。最簡(jiǎn)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(huì )在線(xiàn)性區工作，有著(zhù)增益很大的放大特性，在計算時(shí)往往認為它放大的倍數是無(wú)窮大。而在沒(méi)有反饋的條件下，運算放大器在線(xiàn)性區的輸入動(dòng)態(tài)范圍很小，即兩個(gè)輸入電壓有一定差距就會(huì )使運算放大器達到飽和。如果同相端電壓較大，則輸出最大電壓，一般是+12V；如果反相端電壓較大，則輸出最小電壓，一般是-12V。這樣，就實(shí)現了電壓比較功能。 真正的電壓比較器還會(huì )增加一些外圍輔助電路，加強性能。

 

數模轉換器的常見(jiàn)方式

最常見(jiàn)的數模轉換器是將并行二進(jìn)制的數字量轉換為直流電壓或直流電流，它常用作過(guò)程控制計算機系統的輸出通道，與執行器相連，實(shí)現對生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制。數模轉換器電路還用在利用反饋技術(shù)的模數轉換器設計中。