数模转换器的基本原理及DAC类型简介

　　数模转换器（DAC）是将数字量转换成模拟量，完成这个转换的器件叫做数模转换器。本文将介绍数模转换器的概念、原理、主要技术指标以及不同类型DAC特点进行介绍。

　　1 数模转换器的概念

　　经数字系统处理后的数字量，有时又要求再转换成模拟量以便实际使用，这种转换称为"数模转换"。完成数模转换的电路称为数模转换器， 简称 DAC（Digital to Analog Converter）。

　　DAC的工作原理框图

　　2、DAC 中的基本概念

　　分辨率

　　DAC中的分辨率定义为在不同的输入数字码值下所有可能输出的模拟电平的 个数，N位分辨率意味着DAC能产生2 N −1 个不同的模拟电平，一般情况下它就指输入 数字码的位数。

　　失调和增益误差

　　失调定义为当输入0码值时实际输出的模拟信号的值，增益误差定 义为当扣除失调后理想的满量程输出的值和实际输出的值的差，如图所示。

　　DAC的失调和增益误差

　　精度

　　DAC中的精度分为绝对精度和相对精度。绝对精度定义为理想输出和实际输出之 间的差，包括各种失调和非线性误差在内。相对精度定义为最大积分非线性误差。精度表示为满量程的比例，用有效位数来表示。例如8-bit 精度表示DAC的误差小于DAC输出满量程的 1/8 2 。注意精度这个概念和分辨率不相关。一个12-bit 分辨率的DAC可能精度只有10-bit；而一个10-bit分辨率的DAC可能有12-bit的精度。精 度大于分辨率意味着DAC的传输响应能够被比较精确地控制。

　　积分线性误差（INL－Integral Nonlinearity）

　　当除去失调和增益误差后，积分线性误差就定义为实际输出传输特性曲线对理想传输特性曲线（一条直线）的偏离。如图所示。

　　DAC的积分和微分线性误差

　　微分线性误差（DNL－Differential Nonlinearity）

　　在理想的DAC中，每次模拟输 出变化最小为1LSB，微分线性误差定义为每次模拟输出变化最小时对1LSB的偏离（将增 益误差和失调除外）。我们定义的DNL是对每个数字输入码值而言的，有时也有用最大 的DNL来定义整个DAC的DNL。理想的DAC对于每个数字输入其微分线性误差均为0， 而一个具有最大DNL为0.5LSB的DAC的每次最小变化输出在0.5LSB到1.5LSB之间。如图DAC的积分和微分线性误差所示。

　　抖动能量（Glitch Impulse Area） 输入信号变化以后在输出端出现的抖动下的 最大面积。

　　建立时间（Settling Time） 在最终值的一个特定的误差范围之内，输出经历满 幅转换所需要的时间。

　　单调性 一个单调的DAC指随着输入数字码值增加输出模拟电平一直增加DAC。如果 最大的DNL控制在0.5LSB以内，那么DAC的单调性自然能得到保证。

　　伪动态范围（SFDR） SFDR就是Spurious Free Dynamic Range，即无噪声和谐波的动态范围。噪声和谐波都称为伪信号（Spurious）。

　　3 数模转换原理

　　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。

　　其中 为二进制数按位权展开转换成的十进制数值。

　　4 数模转换器的构成及不同类型数模转换器的特点

　　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。

　　5 模数转换器的主要技术指标

　　DAC 的转换精度与转换速度：转换精度 在 DAC 中一般用分辨率和转换误差来描述转换精度。

　　（1） 分辨率

　　一般用 DAC 的位数来衡量分辨率的高低，因为位数越多，其输出电 压vO的取值个数就越多（2n 个），也就越能反映出输出电压的细微变化，分辨能力就越高。

　　此外，也可以用 DAC 能分辨出来的最小输出电压 1 LSB 与最大输出 电压 FSR 之比定义分辨率。即

　　该值越小，分辨率越高。

　　（2） 转换误差

转换误差是指实际输出的模拟电压与理想值之间的最大偏差。常用这 个最大偏差与 FSR 之比的