什么是ADC和DAC

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什么是ADC和DAC




ADC是analog-to-digital converter的缩写，指模拟／数字转换器。我们常用的模拟信号，如温度、压力、电流等，如果需要转换成更容易储存、处理的数字形式，用模／数转换器就可以实现这个功能。

ADC将模拟输入信号转换成数字信号的电路或器件。模数转换器的实例有逐次逼近ADC，电压-频率(v/f)转换器，双斜率ADC和高速闪烁ADC。模数转换器也称为数字化仪。

A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

取样和保持

取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图1所示。图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号s(t)控制，在s(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号vo(t)为输入信号v1,而在（ts-τ）期间，传输门关闭，输出信号vo(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。


图1 取样电路结构(a)



图1 取样电路中的信号波形(b)

通过分析可以看到，取样信号s(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。

取样定理：设取样信号s(t)的频率为fs，输入模拟信号v1(t)的最高频率分量的频率为fimax，则fs与fimax必须满足下面的关系fs≥2fimax，工程上一般取fs>;(3～5)fimax。

将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。

取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图2所示。


图2 取样-保持电路原理图



图2 取样-保持电路波形图

电路由输入放大器a1、输出放大器a2、保持ch和开关驱动电路组成。电路中要求a1具有很高的输入阻抗，以减少对输入信号源的影响。为使保持阶段ch上所存电荷不易泄放，a2也应具有较高输入阻抗，a2还应具有低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中av1·av2=1。

现结合图2来分析取样-保持电路的工作原理。在t=t0时，开关s闭合，电容被迅速充电，由于av1·av2=1，因此v0=vi，在t0～t1时间间隔内是取样阶段。在t=t1时刻s断开。若a2的输入阻抗为无穷大、s为理想开关，这样可认为电容ch没有放电回路，其两端电压保持为v0不变，图2(b)中t1到t2的平坦段，就是保持阶段。

取样-保持电路以由多种型号的单片产品。如双极型工艺的有ad585、ad684；混合型工艺的有ad1154、shc76等。

量化与编码

数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。

量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1lsb。

在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用ε表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D 转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。

量化过程常采用两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。

１.只舍不入量化方式

以3位A/D转换器为例，设输入信号v1的变化范围为0～8v，采用只舍不入量化方式时，取△=1v，量化中不足量化单位部分舍弃，如数值在0～1v之间的模拟电压都当作0△，用二进制数000表示，而数值在1～2v之间的模拟电压都当作1△，用二进制数001表示……这种量化方式的最大误差为△。

２.四舍五入量化方式

如采用四舍五入量化方式，则取量化单位△=8v/15，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。它将数值在0～8v/15之间的模拟电压都当作0△对待，用二进制000表示，而数值在8v/15～24v/15之间的模拟电压均当作1△，用二进制数001表示等。

３.比较

采用前一种只舍不入量化方式最大量化误差│εmax│=1lsb,而采用后一种有舍有入量化方式│εmax│=1lsb/2，后者量化误差比前者小，故为多数A/D转换器所采用。

A/D转换器的种类很多，按其工作原理不同分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两类。直接A/D转换器可将模拟信号直接转换为数字信号，这类A/D转换器具有较快的转换速度，其典型电路有并行比较型A/D转换器、逐次比较型A/D转换器。而间接A/D转换器则是先将模拟信号转换成某一中间电量(时间或频率)，然后再将中间电量转换为数字量输出。此类A/D转换器的速度较慢，典型电路是双积分型A/D转换器、电压频率转换型A/D转换器。

DAC是digital-to-analog converter的缩写，指数字/模拟转换器。数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字／模拟转换。

DAC的原理

数模转换器电路的各电阻值是按4位二进制数的位权大小取定：最低位对应的电阻最大，为23r，相邻低位减半，最高位对应的电阻最小，为20r。无论d＝1还是d＝0，各2r支路上端经s都等效为接地，其等效电路如图：

无论开关合向1还是0，电路结构不变，各支路电流不变。开关状态仅仅决定电流是流向运算放大器的虚地端还是流向地端。从输入数字信号的高位d3到低位d0，流入4个结点的电流分别被分流为i3＝i/2，i2=i/22，i1=i/23， i0=i/24。从而完成了数模之间的转换。

DAC的重要参数

1.分辨率

指最小输出电压与最大输出电压之比，也是最小输入数字量1与最大输入数字量2n-1之比。

2.转换精度

是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。

它是由于参考电压ur偏离标准值、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降及电阻值的偏差等原因所引起的。除此之外，应选用多位数DAC、选用稳定度高的参考电压源和低零漂的运算放大器与之配合。

3.转换速度

转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始，到输出电压稳定在fsr±? lsb范围（或以fsr±x％fsr指明范围）内为止，这段时间称为建立时间，它是DAC的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢。

DAC的构成

DAC主要由数字寄存器、模拟开关、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。

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