模數轉換器即A/D轉換器，或簡稱ADC，通常是指一個將模擬信號轉變為數字信號的電子元件。通常的模數轉換器是把經過與標準量比較處理后的模擬量轉換成以二進制數值表示的離散信號的轉換器。故任何一個模數轉換器都需要一個參考模擬量作為轉換的標準，比較常見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	簡稱	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指標

5、數模轉換器的分類及特點

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、數模轉換器的常見方式

 

數模轉換器的基本原理：

將輸入的每一位二進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，這樣便實現了從數字量到模擬量的轉換。

 

為二進制數按位權轉換成的十進制數值。

數模轉換器的構成：

DAC主要由數字寄存器、模擬電子開關、位權網絡、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關，使數碼為1 的位在位權網絡上產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和滿量程輸出電壓VFSV的比值來表示

3.2．轉換精度

在 D/A 轉換器中，一般用轉換誤差來描述轉換精度。由于 D/A 轉換器的各個環節在參數和性能上與理論值之間不可避免地存在著差異，因此，D/A 轉換器的實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工作時，實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漂移引起，在設計D/A轉換電路時，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間 tset來描述。建立時間 tset 指從輸入數據改變到輸出進入規定的誤差范圍（一般為±1/2LSB）所需的最大時間。因為輸入數字量變化越大，建立時間越長，所以，數據手冊中一般給出從全 0 到全1 時的建立時間。普通 D/A 轉換器的建立時間為幾到幾百微秒，如 AD7520 的 建立時間為 1μs；高速 D/A 轉換器的建立時間小于幾微秒，如 AD9708 的建立時間為 35ns。

 

數模轉換器的主要技術指標：

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

4.2. 轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時間的倒數。積分型AD的轉換時間是毫秒級屬低速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。采樣時間則是另外一個概念，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 示每秒采樣千/百萬次（kilo / Million Samples per Second）。

4.3.量化誤差 (Quantizing Error) 由于AD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與無限分辯率AD（理想AD）的轉移特 性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1 個或半個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) 輸入信號為零時輸出信號不為零的值，可外接電位器調至最小。

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

4.6.線性度(Linearity) 實際轉換器的轉移函數與理想直線的最大偏移，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)，微分非線性，單調性和無錯碼，總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。

 

數模轉換器的分類及特點：

根據位權網絡的不同，可以構成不同類型的DAC，如權電阻網絡DAC、R-2R倒T形電阻網絡DAC和單值電流型網絡DAC等。

權電阻網絡DAC 的轉換精度取決于基準電壓VREF，以及模擬電子開關、運算放大器和各權電阻值的精度。它的缺點是各權電阻的阻值都不相同，位數多時，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網絡節組成， 每節對應于一個輸入位。節與節之間串接成倒T形網絡。R-2R倒T形電阻網絡DAC是工作速度較快、 應用較多的一種。和權電阻網絡比較，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。

電流型DAC則是將恒流源切換到電阻網絡中，恒流源內阻極大，相當于開路，所以連同電子開關在內，對它的轉換精度影響都比較小，又因電子開關大多采用非飽和型的ECL開關電路，使這種DAC可以實現高速轉換，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，數碼操作開關和電阻網絡是基本部件。裝置通過一個模擬量參考電壓和一個電阻梯形網絡產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關決定哪一些電流或電壓相加起來形成輸出量。所謂“權”，就是二進制數的每一位所代表的值。例如三位二進制數“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 中產生二進制權電流,電流通過開關。當該位的值是“0”時，與地接通；當該位的值是“1”時，與輸出相加母線接通。幾路電流之和經過反饋電阻Rf 產生輸出電壓。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。工業自動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，一個脈沖相當于數字量的一個單位，然后將每個脈沖變為單位模擬量，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?

模數轉換一般要經過采樣、保持和量化、編碼這幾個步驟。下面我們以∑-△A/D轉換器為例來簡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。

總體來說，∑-△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∑-△調制器，主要使采用過采樣技術采樣后信號經過調制器，使量化噪聲分布更廣，并且輸出一位一位的數據位流，數字部分是一個數字濾波器，它對模擬部分輸出的數字量進行除噪處理，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行進一步的量化，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現。數字信號先進行解碼，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，采樣信號的頻譜經理想低通濾波便得到原來模擬信號的頻譜。

一般實現時，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），并且由于這各系統的濾波特性是物理不可實現的，所以在真實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，是一個濾波、采樣保持和編碼的過程。 

模擬信號經帶限濾波，采樣保持電路，變為階梯形狀信號，然后通過編碼器，使得階梯狀信號中的各個電平變為二進制碼。 

9.3. 比較器是將兩個相差不是很小的電壓進行比較的系統。最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是無窮大。而在沒有反饋的條件下，運算放大器在線性區的輸入動態范圍很小，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，就實現了電壓比較功能。 真正的電壓比較器還會增加一些外圍輔助電路，加強性能。

 

數模轉換器的常見方式

最常見的數模轉換器是將并行二進制的數字量轉換為直流電壓或直流電流，它常用作過程控制計算機系統的輸出通道，與執行器相連，實現對生產過程的自動控制。數模轉換器電路還用在利用反饋技術的模數轉換器設計中。