DAC数模转换/ADC模数转换

1.概述

老规矩先来点杂谈。
今天被领导狠批了一顿，接手的第一个项目就出了两个严重问题，影响了进程。很简单的问题，一个是芯片电源不匹配，一个是封装与实际产品不对应。由于脑海里没有这个概念，以至于检查时根本没有注意，不过好在解决问题的速度挺快，再接再励吧。
由于问题涉及到AD/DA,总结下吧,希望不要再犯低级错误了。

2.DAC数模转换

2.1 基本原理

DAC:digital analog converter数模转换器。
转换基本原理是：将输入的数字量按权的大小，通过电阻网络转化为模拟量，再通过加法电路，转换为与数字量成比例的模拟量。实际上就是二进制转换为十进制的过程。
基本组成包括，锁存器、电子开关、基准源、权电阻网络和求和电路。如下图：
锁存器：保存输入的数字量。
电子开关：被数字量控制开关，用来决定是否将某一路数字量转换为有效模拟量输出。
基准源：给模拟量提供参考电压。
权电阻网络：提供每一路数字量的比例。
求和电路：将每路数字量转化的模拟量按权相加

那么输入输出的关系如下：

根据以上关系，就可以将数字量转换为模拟量了。基准源和权电阻网络是关键。基准源越大，可输出的模拟量的范围当然也就会越大了。

2.2 分类

按解码结构分，有倒T型电阻网络，T型电阻网络，权电流转换器。
按模拟开关类型分有，cmos开关型，双极型。
下面主要对倒T型电阻网络，权电流转换器进行介绍。

2.2.1 倒T型电阻网络

原理如下：
当开关为1，即数字量为1时，接到运放反相端，表示电流输出有效；当为0时接到同相端地。无论哪种情况，电阻网络都接到地上。

根据以上分析，可得如下关系

注意这种方式是反相输入的电压型负反馈，所以输出电压为负，若要输出正压，还需要使用反相器。

2.2.2 权电流转换器

考虑到模拟开关的导通压降，导通电阻的误差和功耗，用恒流源代替权电阻转换电路得到权电流转换器。

在实际应用中，用负反馈运放组成基准电流源，用三极管组成权电流源。输出只与反馈电阻和基准电压源电阻有关，与内部电阻和三极管无关。

输入输出的关系如下：

在参考电压一定的情况下，改变R1可调整输出电流的范围。
AD9764就是按照以上原理工作的。

2.3 主要技术指标

2.3.1 分辨率

分辨率是模拟输出电压可被分离的等级数，n位DA分辨率一般为1/2^n。位数越高，分辨率越高。

2.3.2 转换精度

指实际转换为模拟量与理想模拟量的误差。转换精度的影响因素有，电路元件误差，基准误差，运放零漂等。
用来衡量的转换精度的参数主要有，比例系数误差，失调误差，非线性误差。
1）比例系数误差
实际数模转换斜率与理想斜率之比。

2）失调误差
模拟量的实际起始数值与理想起始数值之差，由运放的零漂引起。

3）非线性误差
指在满刻度范围内，偏离理想转移特性的误差，无规律可言，可能是开关器件导通参数不一致引起，也有可能是由于电阻精度误差引起。
如何提高转换精度？

• 提高基准电压的精度
• 提高加权电阻的精度
• 保证每个开关的压降相等
• 保证运放的零点漂移小

2.3.3 转换速度

用来描述数字量变化引起模拟量变换的转换时间。
用来衡量此指标的参数有，建立时间和转换速率。
1）建立时间
指数字量变化，输出电压在规定误差范围内所需要的时间。
2）转换速率
指大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化率。

2.4 选型原则

• 满足性能指标，主要是转换精度和建立时间。
• 输入输出特性，特别是输出特性，现在高精度的DA,一般是电流输出型。
• 参考源
• 锁存控制和转换特性

在具体使用中，很多都是直接使用电流型DA，而不是电压型DA，可能原因如下

• 电流型DA输出灵活，可正可负
• 电压型DA易受干扰
• 电流型DA输出阻抗在接运放后匹配灵活

3. ADC模数转化

3.1 基本原理

将模拟量采样，保持，量化，编码得到数字量。
1） 采样和保持
这里需要了解香农采样定理，当采样频率是信号频率的两倍时，可完整的复现信号。
采样：使用两个放大倍数乘积为1的运放，输入阻抗足够大，减小信号源的影响，输出阻抗足够小，减少对负载的影响。采样也是由开关控制的。
保持：使用电容电压不能突变的特点。因为运放输入阻抗足够大，所以电压能保持。

2） 量化和编码
将数值连续的模拟量转化为数字量的过程叫量化。
量化有两种方式：舍尾取整法和四舍五入量化法。四舍五入量化法量化误差小。
舍尾取整法：将一定范围的模拟电压分为2n份，量化单位为1/2n ，n为要转化的二进制码的位数。电压在哪份区间，就用相应二进制码表示。
四舍五入量化法: 将一定范围的模拟电压分为2n份,但量化单位为2/（2n-1）,电压在哪份区间，就用相应二进制码表示。
编码：将量化后的结果用二进制码表示，即AD转化的结果。

3.2 分类

按原理分为直接A/D和间接A/D。
直接A/D将模拟信号直接转换为数字信号，间接A/D将模拟信号转化为中间量，再将中间量转换为数字量。

3.2.1 直接A/D

直接A/D包括并行比较A/D，逐次比较A/D。
1） 并行比较A/D
一般由参考电压，电阻网络，比较器，D触发器和编码器组成。
具体原理是，将输入电压与每个区间的参考电压比较（每个区间的参考电压是电阻网络将参考电压分压所致），将输出的结果放在D触发器里保存，再经过编码器编码成数字量。

特点 ：元件要求多，电路复杂，AD位数越多，电路越复杂，但由于是并行处理，所以转换速度快。
2）逐次比较A/D。
一般由电压比较器，D/A转换器，移位寄存器，数据寄存器。
原理与天平称重类似，先将数字量最高位置1，将输入电压与对应参考电压比较，若大于，则保留最高位的1，将第二高位置1，再与与对应参考电压比较，以此类推，得到最后的数字量。

特点: 转换速度适中,转换时间 为几us ~100 us, 转换精度高，在转换速度和硬件复杂度之间达到一个很好的平衡。

3.2.2 间接A/D

间接A/D有双积分型A/D。一般由积分器，比较器，计数器等组成。
原理是，在某一固定时间内对输入模拟电压求积分，将输入电压平均值变换成与之成比例的时间间隔，再利用时钟脉冲和计数器测出时间间隔，得到对应的数字量。

特点: 转换速度慢,转换时间 几百us ~几ms,但由于转换结果与时间常数RC无关，从而消除了积分非线性带来的误差，而且采的是一段时间内输入电压的平均值，所以抗干扰能力最强。

3.3 主要技术指标

主要技术指标有转换精度和转换速率，除此之外还应注意电压输入范围，工作温度等要求。

3.3.1 分辨率

最大输入电压/2^n，即一位对应的电压值。

3.3.2 转换时间

指的是A/D转换器从转换控制信号到来，到输出端稳定得到数字信号的时间。

3.3.3 采样率

每秒对信号采样的次数。

3.4 选型原则

• 根据指标，如线性度和分辨率，转换时间等
• 输入电压的范围，极性和信号的驱动能力
• AD的带宽