数模转换器工作原理

数模转换器概述

数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件。D/A转换器基本上由4个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，简称ADC，它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件。

DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成。用存于数字寄存器的数字量的各位数码，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位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和，并转换成电压值。

根据位权网络的不同，可以构成不同类型的DAC，如权电阻网络DAC、R–2R倒T形电阻网络DAC和单值电流型网络DAC等。权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压VREF，以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值都不相同，位数多时，其阻值相差甚远，这给保证精度带来很大困难，特别是对于集成电路的制作很不利，因此在集成的DAC中很少单独使用该电路。

它由若干个相同的R、2R网络节组成，每节对应于一个输入位。节与节之间串接成倒T形网络。R–2R倒T形电阻网络DAC是工作速度较快、应用较多的一种。和权电阻网络比较，由于它只有R、2R两种阻值，从而克服了权电阻阻值多，且阻值差别大的缺点。

电流型DAC则是将恒流源切换到电阻网络中，恒流源内阻极大，相当于开路，所以连同电子开关在内，对它的转换精度影响都比较小，又因电子开关大多采用非饱和型的ECL开关电路，使这种DAC可以实现高速转换，转换精度较高。

数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字-模拟转换。这就是组成D/A转换器的基本指导思想。

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。

今天，小编将介绍两种相关的动态参数，即压摆率与建立时间。

退休员工模拟专家BruceTrump将其描述成运算放大器的速度极限。DAC压摆率参数与运算放大器的压摆率参数成1:1关系。

在基本情况下，当输入电压发生明显变化时（例如当新的DAC代码被锁存在距离当前代码有几个代码的位置），这时输出放大器将开始摆动，即以最快的速度增大输出电压。输出放大器保持这种状态直到接近预期值为止，同时输出开始在指定的误差频带范围内趋于稳定。

产品说明书规范介绍了DAC出现摆动时在其输出端可以看到的最大变化率，通常是每秒几微伏。

注意：该图并非根据真实器件按比例绘制，而是经放大后显示的各个区域

DAC的建立时间与运算放大器建立时间有着惊人的相似之处。另外，主要的区别在于DAC建立时间还包含停滞时间分量。停滞时间是DAC锁存或更新输出所用的时间。锁存行为通常由数字信号的下降沿（称为LDAC）触发。LDAC与DAC输出的交互情况如下图所示，该图摘自DAC8568说明书。

如果出现非常大的输入步进，DAC将进入摆动区域，这在上面的两幅图中均有显示。在摆动区域内，DAC的前进会受到压摆率参数的限制。如果DAC确实需要摆动，那么建立时间的下一个阶段将处于过载恢复状态，紧接着是达到指定误差频带所需的线性建立时间。对于DAC来说，误差频带通常指定在1LSB以内。

产品说明书中针对较大步长给出了建立时间参数。例如，DAC8568的指定建立时间为5us，通常针对的范围是从?满量程输出到?满量程输出。

切记，摆动时间占总体建立时间的绝大部分，因而如果您的输出步长小于说明书中规定的建立时间规范，那么系统建立所用的时间就会变短。在大部分高精度应用中，建立时间是DAC的有效更新速率。

如图中所示，环境亮度检测器输出一个正比于现有光线亮度的电流，TIA（跨导放大器）将这个小电流转变成一个电压，再把这个电压送入A/D转换器。系统中的微控制器读出A/D的输出，并通过I2C接口对数字电位器进行设定。数字电位器被连接到白色LED驱动器ADM8846的Rset引脚，从而改变了它提供给LED的输出电流，这样就完成了对LED的亮度控制。在上电时，AD5245预置为中间阻值。

图所示的是6通道视频编码器ADV7322同时在标清TV和高清TV上显示视频的应用。图中上面的高清TV视频信号是将模拟的Y、Pr、Pb信号分开，使用三条线缆来独立传输，而下面的标清TV输入的是复合视频信号，ADV7322的6路输出都要加缓冲器以驱动高清和标清的显示器。此外，由于AD8061具有出色的适合视频应用的参数特性，所以这里选用AD8061做缓冲器。ADV7322的输出还可能根据连接设备的需要，加一个模拟低通滤波器以实现反镜像滤波。最后需要说明的一点是，虽然ADV7322含有片上基准，但可能还要考虑使用一个更好的外部基准来优化其性能，比如AD1580。