D/A轉換器

D/A轉換器

D/A轉換器,又稱數模轉換器,簡稱DAC,它是把數字量轉變成模擬的器件。D/A轉換器基本上由4個部分組成,即權電阻網路、運算放大器、基準電源和模擬開關。模數轉換器中一般都要用到數模轉換器,模數轉換器即A/D轉換器,簡稱ADC,它是把連續的模擬信號轉變為離散的數位訊號的器件。

簡介

DAC圖示這就是一個數模轉換器。

數模轉換器解析

原理

一種將二進制數字量形式的離散信號轉換成以標準量(或參考量)為基準的模擬量的轉換器,簡稱DAC數模轉換器或D/A轉換器。

常見方式

最常見的數模轉換器是將並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。

D/A轉換器的技術指標

解析度

D/A轉換器的解析度是指DAC電路所能分辨的最小輸出電壓與滿量程輸出電壓之比。最小輸出電壓是指輸入數字量只有最低有效位為1時的輸出電壓,最大輸出電壓是指輸入數字量各位全為1時的輸出電壓。DAC的解析度可用下式表示:
解析度=1/(2n-1)
式中,n表示數字量的二進制位數。
DAC產生誤差的主要原因有:基準電壓VREF的波動,運放的零點漂移,電組網路中電阻阻值偏差等原因。

轉換誤差

轉換誤差常用滿量程FSR(FullScaleRange)的百分數來表示。有時轉換誤差用最低有效位LSB(LeastSignificantBit)的倍數來表示。
DAC的轉換誤差主要有失調誤差和滿值誤差。
DAC的解析度和轉換誤差共同決定了DAC的精度。要使DAC的精度高,不僅要選擇位數高的DAC,還要選用穩定度高的參考電壓源VREF和低漂移的運算放大器與其配合。

建立時間

建立時間是指輸入數字量變化後,輸出模擬量穩定到相應數值範圍所經歷的時間,是描述DAC轉換速度快慢的一個重要參數。
其他指標還有線性度Linearity)、轉換精度、溫度係數/漂移等。

分類

電壓輸出型

電壓輸出型D/A轉換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,但一般採用內置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用於高阻抗負載,由於無輸出放大器部分的延遲,故常作為高速D/A轉換器使用。

電流輸出型

電流輸出型D/A轉換器直接輸出電流,但套用中通常外接電流一電壓轉換電路得到電壓輸出。電流一電壓可以直接在輸出引腳上連線一個負載電阻,實現電流一電壓轉換。但多採用的是外接運算放大器的形式。另外,大部分CMOSD/A轉換器當輸出電壓不為零時不能正確動作,所以必須外接運算放大器。由於在D/A轉換器的電流建立時間上加入了外接運算放入器的延遲,使D/A回響變慢。此外,這種電路中運算放大器因輸出引腳的內部電容而容易起振,有時必須作相位補償。

乘算型

D/A轉換器中有使用恆定基準電壓的,也有在基準電壓輸入上加交流信號的,後者由於能得到數字輸入和基準電壓輸入相乘的結果而輸出,因而稱為乘算型D/A轉換器。乘算型D/A轉換器一般不僅可以進行乘法運算,而且可以作為使輸入信號數位化地衰減的衰減器及對輸入信號進行調製的調製器使用。
另外,根據建立時間的長短,D/A轉換器可分為以下幾種類型:低速D/A轉換器,建立時間≥100μs;中速D/A轉換器,建立時間為10~100μs;高速D/A轉換器,建立時間為1~10μs;較高速D/A轉換器,建立時間為100ns~1μs;超高速D/A轉換器,建立時間為<100ns。
根據電阻網路的結構可以分為權電阻網路D/A轉換器、T型電阻網路D/A轉換器、倒T型電阻網路D/A轉換器、權電流D/A轉換器等形式。

一位DA轉換器

一位DA轉換器與前述轉換方式全然不同,它將數字值轉換為脈衝寬度調製或頻率調製的輸出,然後用數字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出(又稱位流方式),用於音頻等場合.

數模轉換器的轉換方式

數模轉換有兩種轉換方式:並行數模轉換和串列數模轉換。

1、並行數模轉換

圖1為典型的並行數模轉換器的結構。虛線框內的數碼操作開關和電阻網路是基本部件。圖中裝置通過一個模擬量參考電壓和一個電阻梯形網路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20/23=1/8;第2位是21/23=1/4;第3位是22/23=1/2。位數多的依次類推。圖2為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1/23=1/8,此值稱為數模轉換器的解析度。位數越多解析度就越高,轉換的精度也越高。工業自動控制系統採用的數模轉換器大多是10位、12位,轉換精度達0.5~0.1%。

2、串列數模轉換

串列數模轉換是將數字量轉換成脈衝序列的數目,一個脈衝相當於數字量的一個單位,然後將每個脈衝變為單位模擬量,並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。
隨著數位技術,特別是計算機技術的飛速發展與普及,在現代控制、通信及檢測等領域,為了提高系統的性能指標,對信號的處理廣泛採用了數字計算機技術。由於系統的實際對象往往都是一些模擬量(如溫度、壓力、位移、圖像等),要使計算機或能識別、處理這些信號,必須首先將這些模擬信號轉換成數位訊號;而經計算機分析、處理後輸出的數字量也往往需要將其轉換為相應模擬信號才能為執行機構所接受。這樣,就需要一種能在模擬信號與數位訊號之間起橋樑作用的電路--模數和數模轉換器。

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