數模轉換器（DAC）原理

數字量轉換成模擬量的過程叫做數模轉換，簡寫成D/A，完成這種功能的電路叫做數模轉換器，簡稱DAC。

數模轉換器的框圖如圖所示。

輸入的二進制數碼存入寄存器，存入寄存器的二進制數，每一位控制著一個模擬開關，模擬開關只有兩種可能的輸出：或是接地，或是經電阻接基準電壓源。它由寄存器中的二進制數控制，模擬開關的輸出送到加法網絡，二進制數碼的每一位都有一定的“權”，這個網絡把每位數碼變成它的加權電流，并把各位的權電流加起來得到總電流，總電流送入放大器，經放大器放大后得到與之對應的模擬電壓，實現數字量與模擬量的轉換。

集成電路數模轉換器都是二進制輸入的，而用運放構成的數模轉換器則不受數制和位數的限制。它運用了運放的反相加法器原理，如圖1所示。

當運放的增益足夠高時，其反相輸入端為虛地，其輸出電壓v0由下式決定：

當VI=V2=V3=V4=V時。如果令Rl=，則Vo=-V（1+2+4+8），構成的是二進制數模轉換器。當然，電阻個數還可增加，以構成更多位的轉換器。

如增加電阻：

（10+20+40+80）］，便可構成兩位十進制BCD碼數模轉換器。其實，用電阻并聯的方法分析，也可得出上述結論。

依據上述原理構成的數模轉換器的具體電路如圖2、圖3所示?？紤]到運放輸出電壓范圍的限制，在保持上述比例關系不變的前提下，對電阻取值進行了適當處理，其中反饋電阻R的取值可以變化，因為它并不影響轉換中相互比例關系，而只影響輸出電壓的大小。

圖中的運放必須采用CMOS型，因CMOS型的輸入是高阻，使得選用較寬范圍的電阻值和低至幾μA的偏置電流，對轉換精度幾乎沒有影響。運放的失調電壓一般在2mV內即可，它僅對低電壓稍有影響，電壓高時就忽略不計了。如要求較高，可使用帶調零端的運放。

電阻必須用金屬膜電阻，其選用原則是阻值越小的電阻，其精確度要求越高。如大至16MΩ申陽即停有±5％的誤差，也僅使最低電壓0.039V變?yōu)?.037V或0.041V，對滿度電壓9.96V的誤差僅為0.02％，而125kΩ電阻即使只有1％誤差，也將使?jié)M度電壓的誤差達O.5％，因此應盡量減少小阻值電阻的誤差。

由于輸出電壓與基準電壓極性相反?？梢栽黾右患夁\放，將負電壓轉為正電壓。還可通過R反的調整使電壓大小發(fā)生變化，以適應各種場合的需要。

上述數模轉換器的輸入接口，若采用圖示撥碼開關，因其導通電阻極小，當然毫無問題。若采用CMOS電路驅動，則應考慮導通電阻的影響。

筆者實測，74HC系列電路高電平輸出電阻約50Ω，低電平灌人電阻約40Ω，而CD系列電路的上述電阻均高達200Ω～500Ω。若以5V電源作基準電源，并以74HC系列電路驅動轉換器，其導通電阻導致的誤差不超過0.04％。

一般可以忽略。同時，還可將5V電源_丁十為5.002V加以補償。要求較高者也可將125kΩ減為124.95kΩ）、250kΩ減為249.95kΩ等。低電平時電阻兩端電壓均為0，根本不用考慮。CD系列電路導通電阻太大，建議不采用。

選配電阻時，可在輸出端接上數字萬用表監(jiān)測電壓。如16MΩ電阻應輸出30mV，8MΩ電阻應輸出78mV……250Ω）電阻應輸出2.5V，125kΩ電阻應輸出5V。這樣便可將電阻校準。

利用電阻二極管網絡可將二進制數字信號轉換為模擬信號，此模擬信號的大小可以利用模擬式儀表顯示出來。如果儀表滿量程電流為1，則電阻R1選取為：

式中Ub為電源電壓。

首先簡單介紹一下理想數模轉換器（DAC）的屬性，然后再深入討論更為復雜的規(guī)范。下圖是理想DAC的傳遞函數，重點列出了我們將要討論的參數。

無論是DAC還是模數轉換器（ADC），任何數據轉換器的最基本屬性都是其分辨率。對于DAC來說，分辨率描述了可用來代表模擬輸出信號的數字域位數。我們可通過分辨率計算代碼數量或者可寫入轉換器的可能輸入總數。

應用于數據轉換器的內部或外部參考電壓非常重要。任何轉換器的良好性能都等同于其參考值，因為任何噪聲或參考漂移都會在輸出端體現。

對于DAC來說，參考電壓可設定輸出范圍和代碼間的步長。通常將代碼間輸出步長描述為“最低有效位加權”或LSB加權。我們可利用代碼數量和參考電壓計算出如下所示的LSB加權。在理想DAC中，每個代碼間轉換的間隔都是1LSB。

這里需要一點技巧，但如果是n位，我們實際可計數到的最高數是2n–1。如果您覺得不好理解，可以考慮2位實例。我們可利用2位計數0、1、2和3，但沒有4（24）。這種數字規(guī)律符合大多數DAC的內部模擬結構，我們將在后續(xù)文章中重點討論。您是否已經被我說服打算訂閱該系列文章了呢？現在，完全可通過以下公式計算DAC的滿量程輸出范圍。

最后，我們可定義理想DAC的傳遞函數：

由參考輸入設定近軌至軌輸出，切記滿量程輸出應為Vref-1LSB；

任何兩個順序碼的間隔均正好為1LSB；

無丟失碼，完全單調；

代碼間的瞬間轉換。