数模转换数模转换的转换器的参数

数模转换的实质是什么？

数字量转换成模拟量的过程叫做数模转换，简写成D/A。

完成这种功能的电路叫做数模转换器，简称DAC。

数模转换器的框图如图所示。

输入的二进制数码存入寄存器，存入寄存器的二进制数，每一位控制着一个模拟开关。

原理： 1、输入的二进制数码存入寄存器，存入寄存器的二进制数，每一位控制着一个模拟开关，模拟开关只有两种可能的输出：或是接地，或是经电阻接基准电压源。

2、它由寄存器中的二进制数控制，模拟开关的输出送到加法网络，二进制数码的每一位都有一定的“权”，这个网络把每位数码变成它的加权电流，并把各位的权电流加起来得到总电流，总电流送入放大器，经放大器放大后得到与之对应的模拟电压，实现数字量与模拟量的转换。

数模转换： 就是将离散的数字量转换为连接变化的模拟量。

与数模转换相对应的就是模数转换，模数转换是数模转换的逆过程。

接下来我们将从转换器的分类，技术指标，模数变换的方法以及模数转换器的参数等这几方面来介绍数模转换。

数模转换实质是什么？详细点！

一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量（或参考量）为基准的模拟量的转换器，简称 DAC或D/A 转换器。

最常见的数模转换器是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流，它常用作过程控制计算机系统的输出通道，与执行器相连，实现对生产过程的自动控制。

数模转换器电路还用在利用反馈技术的模数转换器设计中。

　　数模转换有两种转换方式：并行数模转换和串行数模转换。

图1为典型的并行数模转换器的结构。

虚线框内的数码操作开关和电阻网络是基本部件。

图中装置通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压；而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。

所谓“权”，就是二进制数的每一位所代表的值。

例如三位二进制数“111“,右边第1位的“权”是 20/23=1/8；第2位是21/23=1/4；第3位是22/23=1/2。

位数多的依次类推。

图2为这种三位数模转换器的基本电路,参考电压VREF在R1、R2、R3中产生二进制权电流,电流通过开关。

当该位的值是“0”时,与地接通；当该位的值是“1”时,与输出相加母线接通。

几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。

电压极性与参考量相反。

输入端的数字量每变化1，仅引起输出相对量变化1/23=1/8,此值称为数模转换器的分辨率。

位数越多分辨率就越高，转换的精度也越高。

工业自动控制系统采用的数模转换器大多是10位、12位，转换精度达0.5～0.1％。

　　串行数模转换是将数字量转换成脉冲序列的数目，一个脉冲相当于数字量的一个单位，然后将每个脉冲变为单位模拟量，并将所有的单位模拟量相加，就得到与数字量成正比的模拟量输出，从而实现数字量与模拟量的转换。

　　随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。

由于系统的实际对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。

这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路--模数和数模转换器。

　　将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC,Analog to Digital Converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC,Digital to Analog Converter）；A/D转换器和D/A转换器已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

　　为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。

转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。

随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。

本章将介绍几种常用A/D与D/A转换器的电路结构、工作原理及其应用。

数模转换的DA转换器分类

DA 转换器的内部电路构成无太大差异，一般按输出是电流还是电压、能否作乘法运算等进行分类。

大多数DA转换器由电阻阵列和n个电流开关(或电压开关)构成。

按数字输入值切换开关，产生比例于输入的电流(或电压)。

此外，也有为了改善精度而把恒流源放入器件内部的。

一般说来，由于电流开关的切换误差小，大多采用电流开关型电路，电流开关型电路如果直接输出生成的电流，则为电流输出型DA转换器。

此外，电压开关型电路为直接输出电压型DA转换器。

如TLC5620 电压输出型DA转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。

直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速DA转换器使用。

如THS5661A 电流输出型DA转换器很少直接利用电流输出，大多外接电流—电压转换电路得到电压输出，后者有两种方法：一是只在输出引脚上接负载电阻而进行电流—电压转 换，二是外接运算放大器。

用负载电阻进行电流—电压转换的方法，虽可在电流输出引脚上出现电压，但必须在规定的输出电压范围内使用，而且由于输出阻抗高， 所以一般外接运算放大器使用。

此外，大部分CMOS DA转换器当输出电压不为零时不能正确动作，所以必须外接运算放大器。

当外接运算放大器进行电流电压转换时，则电路构成基本上与内置放大器的电压输出型相同，这时由于在DA转换器的电流建立时间上加入了运算放大器的延迟，使响应变慢。

此外，这种电路中运算放大器因输出引脚的内部电容而容易起振，有时必须作相位补偿。

如AD7533 DA转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DA转换器。

乘算 型DA转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。

一位DA转换器与前述转换方式全然不同，它将数字值转换为脉冲宽度调制或频率调制的输出，然后用数字滤波器作平均化而得到一般的电压输出(又称位流方式)，用于音频等场合。

另外，按照输入数字信号的方式又分为串行DA转换器和并行DA转换器。

数模转换的转换器的参数

1．采样速率和分辨率 对于ADC而言，采样速率和分辨率是两个非常重要的指标参数。

其中，采样速率表示模拟信号转换为数字信号的速率，与ADC器件的制造技术有关，取决于ADC中比较器所能提供的判断能力。

分辨率表示模拟信号转换为数字信号后的比特数。

一般而言，采样速率和分辨率是互相制约的关系。

采样速率每提高一倍，分辨率大约损失1bit。

这主要是由于采样时刻的抖动，即孔径抖动或称为孔径不定性。

2．信噪比 ADC的信噪比（SNR）反映了量化过程中产生的无噪声信号部分的均方根值和量化噪声的均方根值的比值。

3．有效转换位数 对于实际的A/D变换系统，由于存在着电噪声、外界干扰和模拟电路的非线性畸变等因素的影响，仅以理想的分辨率来度量系统性能是不够的。

4．无失真动态范围 无失真动态范围（SFDR，Spurious-FreeDynamicRange）表示ADC在强信号干扰下检测微弱信号的能力，在有的书中也被称为无杂散动态范围或无寄生动态范围。

SFDR可以按两种方式进行定义： （1）定义为满量程（FS）信号的均方根值与输出信号中最大寄生信号的均方根值的比值，用dBFS表示； （2）定义为输入信号幅度的均方根值与输出信号中最大寄生信号的均方根值的比值，表示为dBc。

在理想情况下，SFDR的最大值出现在满幅度输入的情况下。

在实际情况中，SFDR的最大值比满幅度输入至少低几个dB，这是由于在输入信号幅度接近满幅度时ADC的非线性及失真现象将更加严重。

因此，在实际中，应避免使ADC输入信号幅度接近满幅度。

5．孔径误差 在理想情况下，采样过程是瞬间完成的。

然而，对于实际的A/D变换过程，从发出采样命令到实际开始采样需要一定的时间，即实际采样点与理想采样点之间存在着一定的时间延迟，称为孔径时间（ApertureTime）。

对于一个动态模拟信号，在ADC接通的孔径时间里，输入的模拟信号值是不确定的，从而引起输出的不确定误差，这就是所谓的孔径误差。

孔径误差会导致ADC采样精度和信噪比的下降，且与被采样信号的频率f成正比。

6．非线性误差 非线性误差是转换器的重要精度指标，表示了ADC实际转换值与理论转换值之间的差别。

非线性误差主要包括两类：差分非线性（DNL，DifferentialNon-Linearity）误差和积分非线性（INL，IntegralNon-Linearity）误差。

差分非线性误差（DNL）是指ADC实际的量化电平与理论的量化电平之间的差异，这主要由于A/D本身的电路结构和制造工艺等原因，引起在量程中某些点的量化电压和标准的量化电压不一致而造成的。

DNL引起的失真分量与输入信号的幅度和非线性出现的位置有关，通常用和理想电平相差的百分比来表示。

积分非线性误差（INL）是指ADC实际转换特性函数曲线与理想转换特性直线之间的最大偏差，主要是由于A/D模拟前端、采样保持器及ADC的传递函数的非线性所造成的。

理想转换特性直线可以利用最小均方算法得到，而INL引起的各阶失真分量的幅度随输入信号的幅度变化。

如果输入信号每增加1dB，则二阶交调失真分量增加2dB，三阶交调失真分量增加3dB。

7．互调失真 当两个正弦信号、同时输入ADC时，由于器件的非线性，其输出频谱除了含有这两个频率的分量之外，还将产生许多失真产物，由此所造成的失真称为互调失真（IMD，InterModulationDistortion），其中m+n的数值表示失真的阶数。

在所有的互调失真中，二阶和三阶的互调产物最为重要。

前者容易通过数字滤波器滤除，而后者由于与、离得很近而很难滤除。

一般采用二阶截获点和三阶截获点来度量互调失真。

然而，对于ADC，由于其限幅的特性，二阶截获点和三阶截获点并不适用，因此在ADC中也并没有指定。

在这种情况下，双音SFDR是最适合度量ADC失真程度的指标。

8．谐波失真 由于ADC非线性的影响，其输出的频谱中出现许多输入信号的高次谐波，这些高次谐波分量称为谐波失真分量，由此所造成的失真称为谐波失真（THD，TotalHarmonicDistortion）。

谐波失真和互调失真是两个不同的概念，前者是对原信号波形的扭曲，即使是单一频率信号通过ADC也会产生这种现象，而后者却是不同频率之间的互相干扰和影响。

度量ADC的谐波失真的方法很多，通常可利用离散傅里叶变换（DFT）测出各次谐波分量的大小。

全功率输入带宽（FullPowerAnalogInputBandwidth）是指当ADC输出信号幅度低于最大输出电平3dB时的输入信号频率范围。

一般采样速率越高，全功率输入带宽就越宽。

对于ADC而言，被采样信号的带宽必须在全功率输入带宽之内，否则在模拟输入带宽之外的频率成分因衰减过多而无法正确地反映原始信号。