數(shù)模轉(zhuǎn)換器工作原理

數(shù)模轉(zhuǎn)換器概述

數(shù)模轉(zhuǎn)換器，又稱D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬的器件。D/A轉(zhuǎn)換器基本上由4個(gè)部分組成，即權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器、基準(zhǔn)電源和模擬開關(guān)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器中一般都要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器即A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC，它是把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號(hào)的器件。

DAC主要由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源（或恒流源）組成。用存于數(shù)字寄存器的數(shù)字量的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為1的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其位權(quán)成正比的電流值，再由運(yùn)算放大器對(duì)各電流值求和，并轉(zhuǎn)換成電壓值。

根據(jù)位權(quán)網(wǎng)絡(luò)的不同，可以構(gòu)成不同類型的DAC，如權(quán)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(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)DAC的轉(zhuǎn)換精度取決于基準(zhǔn)電壓VREF，以及模擬電子開關(guān)、運(yùn)算放大器和各權(quán)電阻值的精度。它的缺點(diǎn)是各權(quán)電阻的阻值都不相同，位數(shù)多時(shí)，其阻值相差甚遠(yuǎn)，這給保證精度帶來(lái)很大困難，特別是對(duì)于集成電路的制作很不利，因此在集成的DAC中很少單獨(dú)使用該電路。

它由若干個(gè)相同的R、2R網(wǎng)絡(luò)節(jié)組成，每節(jié)對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸入位。節(jié)與節(jié)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(yīng)用較多的一種。和權(quán)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(quán)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(nèi)阻極大，相當(dāng)于開路，所以連同電子開關(guān)在內(nèi)，對(duì)它的轉(zhuǎn)換精度影響都比較小，又因電子開關(guān)大多采用非飽和型的ECL開關(guān)電路，使這種DAC可以實(shí)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度較高。

數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來(lái)表示的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換。這就是組成D/A轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想。

D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路及基準(zhǔn)電壓幾部分組成。數(shù)字量以串行或并行方式輸入、存儲(chǔ)于數(shù)碼寄存器中，數(shù)字寄存器輸出的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為1的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其權(quán)值成正比的電流值，再由求和電路將各種權(quán)值相加，即得到數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。

今天，小編將介紹兩種相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，即壓擺率與建立時(shí)間。

退休員工模擬專家BruceTrump將其描述成運(yùn)算放大器的速度極限。DAC壓擺率參數(shù)與運(yùn)算放大器的壓擺率參數(shù)成1:1關(guān)系。

在基本情況下，當(dāng)輸入電壓發(fā)生明顯變化時(shí)（例如當(dāng)新的DAC代碼被鎖存在距離當(dāng)前代碼有幾個(gè)代碼的位置），這時(shí)輸出放大器將開始擺動(dòng)，即以最快的速度增大輸出電壓。輸出放大器保持這種狀態(tài)直到接近預(yù)期值為止，同時(shí)輸出開始在指定的誤差頻帶范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定。

產(chǎn)品說明書規(guī)范介紹了DAC出現(xiàn)擺動(dòng)時(shí)在其輸出端可以看到的最大變化率，通常是每秒幾微伏。

注意：該圖并非根據(jù)真實(shí)器件按比例繪制，而是經(jīng)放大后顯示的各個(gè)區(qū)域

DAC的建立時(shí)間與運(yùn)算放大器建立時(shí)間有著驚人的相似之處。另外，主要的區(qū)別在于DAC建立時(shí)間還包含停滯時(shí)間分量。停滯時(shí)間是DAC鎖存或更新輸出所用的時(shí)間。鎖存行為通常由數(shù)字信號(hào)的下降沿（稱為L(zhǎng)DAC）觸發(fā)。LDAC與DAC輸出的交互情況如下圖所示，該圖摘自DAC8568說明書。

如果出現(xiàn)非常大的輸入步進(jìn)，DAC將進(jìn)入擺動(dòng)區(qū)域，這在上面的兩幅圖中均有顯示。在擺動(dòng)區(qū)域內(nèi)，DAC的前進(jìn)會(huì)受到壓擺率參數(shù)的限制。如果DAC確實(shí)需要擺動(dòng)，那么建立時(shí)間的下一個(gè)階段將處于過載恢復(fù)狀態(tài)，緊接著是達(dá)到指定誤差頻帶所需的線性建立時(shí)間。對(duì)于DAC來(lái)說，誤差頻帶通常指定在1LSB以內(nèi)。

產(chǎn)品說明書中針對(duì)較大步長(zhǎng)給出了建立時(shí)間參數(shù)。例如，DAC8568的指定建立時(shí)間為5us，通常針對(duì)的范圍是從?滿量程輸出到?滿量程輸出。

切記，擺動(dòng)時(shí)間占總體建立時(shí)間的絕大部分，因而如果您的輸出步長(zhǎng)小于說明書中規(guī)定的建立時(shí)間規(guī)范，那么系統(tǒng)建立所用的時(shí)間就會(huì)變短。在大部分高精度應(yīng)用中，建立時(shí)間是DAC的有效更新速率。

如圖中所示，環(huán)境亮度檢測(cè)器輸出一個(gè)正比于現(xiàn)有光線亮度的電流，TIA（跨導(dǎo)放大器）將這個(gè)小電流轉(zhuǎn)變成一個(gè)電壓，再把這個(gè)電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)中的微控制器讀出A/D的輸出，并通過I2C接口對(duì)數(shù)字電位器進(jìn)行設(shè)定。數(shù)字電位器被連接到白色LED驅(qū)動(dòng)器ADM8846的Rset引腳，從而改變了它提供給LED的輸出電流，這樣就完成了對(duì)LED的亮度控制。在上電時(shí)，AD5245預(yù)置為中間阻值。

圖所示的是6通道視頻編碼器ADV7322同時(shí)在標(biāo)清TV和高清TV上顯示視頻的應(yīng)用。圖中上面的高清TV視頻信號(hào)是將模擬的Y、Pr、Pb信號(hào)分開，使用三條線纜來(lái)獨(dú)立傳輸，而下面的標(biāo)清TV輸入的是復(fù)合視頻信號(hào)，ADV7322的6路輸出都要加緩沖器以驅(qū)動(dòng)高清和標(biāo)清的顯示器。此外，由于AD8061具有出色的適合視頻應(yīng)用的參數(shù)特性，所以這里選用AD8061做緩沖器。ADV7322的輸出還可能根據(jù)連接設(shè)備的需要，加一個(gè)模擬低通濾波器以實(shí)現(xiàn)反鏡像濾波。最后需要說明的一點(diǎn)是，雖然ADV7322含有片上基準(zhǔn)，但可能還要考慮使用一個(gè)更好的外部基準(zhǔn)來(lái)優(yōu)化其性能，比如AD1580。