数/模、模/数转换

数/模转换

把输入的数字信号转换成与之成正比的输出模拟电压或电流。
转换方法为按权展开法，把输入每一位按其对应权大小转换为相应的模拟量，再利用求和运算放大器相加。
输入数字量为1时的输出电压称为DAC的单位量化电压。显然，可输出的最大电压为uOmax=(2n−1)UΔ" role="presentation" style="position: relative;">uOmax=(2n−1)UΔ$u_{Omax}=(2^n-1)U_{\mathrm{\Delta }}$。
多数集成DAC是电流输出型，需要在后面接一个反相比例运算放大器以实现电流电压的转换，才t得到模拟电压的输出。

D/A转换结构框架

• 数字寄存器：暂存输入的数字量
• 模拟电子开关：当输入为0是，开关接地；输入为1时，开关切换使位权网络与求和电路的输入端相连
• 位权网络：构成二进制的权值，将输入数字量各位转换成相应的权电流
• 求和运算放大器：将电流相加，得到正比的模拟电压或电流量输出

常用转换技术

权电阻网络型

优点：结构简单
缺点：电阻种类过多，范围大，难保证精度；模拟开关的导通电阻。

倒T型电阻网络

优点：只用了两种电阻；流经2R支路的电流不会随开关改变，电流建立时间快，转换速度高。
缺点：还是导通电阻。

权电流网络型

网络中支路的权电流用恒流源。
优点：
- 模拟开关导通电阻影响很小，大大提高转换精度。
- ECL开关电路，提高转换速度。

特性参数

转换精度

分辨率是对输出最小电压的分辨能力，说明了DAC理论上可以达到的精度。分辨率=1LSBFSR=12n−1" role="presentation">分辨率=1LSBFSR=12n−1$$分辨率=\frac{1LSB}{FSR}=\frac{1}{2^n-1}$$
分辨率说明了DAC的量化误差，但还有漂移误差、增益误差和非线性误差需要考虑。

转换时间

送入数字信号起，到输出电流或电压达到稳定值所需要的时间，也即输出建立时间。
一般把输入从全0变到全1，输出电压稳定在FSR+-0.5LSB范围内所需要时间称为建立时间。

模/数转换

一般过程

• 采样与保持：采样频率取最高频率的3~5倍即可。
• 量化与编码

转换技术

快闪型（并行比较行）

分别和不同电压比较，然后优先编码器输出。
注意四舍五入量化方法和舍尾量化方法不同的电阻放置。
优点：极高的转换速度。
缺点：n增大时电路会很复杂，占用硅片面积大。
（高速，低分辨率）

逐次逼近型

感觉类似于二分查找法，通过加减标准电压使标准电压与被转换电压平衡。
前n个时钟周期得到n位，第n+1个送到输出，第n+2个复位。
优点：较高的转换速度，电路结构简单，精度比快闪型高。
缺点：抗干扰能力不够理想。

双积分型

分为两个积分阶段，第一个阶段是2^n个时钟周期对输入模拟信号进行积分到达某一个负电压值，第二个阶段是对Vref积分直到uo变回0V。
us=N2nVREF" role="presentation">us=N2nVREF$$u_s=\frac{N}{2^n}{V}_{REF}$$
优点：抗干扰能力强、性能较稳定、精度高。
缺点：转换较慢。

特性参数

转换精度

分辨率反映了ADC对输入模拟信号的分辨能力。定义为1/2^n。

转换时间

主要取决于转换电路种类。快闪型纳秒级（高速），逐次比较型几百纳秒到几十微秒（中速），积分型毫秒级（低速）。
采样频率需要小于等于转换频率。