一.产生原因
随着现代科学技术的迅猛发展,特别是数字系统已广泛应用于各种学科领域及日常生活,微型计算机就是一个典型的数学系统。但是数字系统只能对输入的数字信号进行处理,其输出信号也是数字信号。而在工业检测控制和生活中的许多物理量都是连续变化的模拟量,如温度、压力、流量、速度等,这些模拟量可以通过传感器或换能器变成与之对应的电压、电流或频率等电模拟量。为了实现数字系统对这些电模拟量进行检测、运算和控制,就需要一个模拟量与数字量之间的相互转换的过程。即常常需要将模拟量转换成数字量,简称为AD转换,完成这种转换的电路称为模数转换器(Analog to Digital Converter) ,简称ADC;或将数字量转换成模拟量,简称DA转换,完成这种转换的电路称为数模转换器(Digital to Analog Converter) ,简称DAC,图1是某微机控制系统框图。

二.ADC和DAC基本原理及特点

2.1 模数转换器(ADC)的基本原理

模拟信号转换为数字信号,一般分为四个步骤进行,即取样、保持、量化和编码。前两个步骤在取样-保持电路中完成,后两步骤则在ADC中完成。

常用的ADC有积分型、逐次逼近型、并行比较型/串并行型、Σ -Δ调制型、电容阵列逐次比较型及压频变换型。下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点:

1）积分型(如TLC7135) 。
积分型ADC工作原理是将输入电压转换成时间或频率,然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单电路就能获得高分辨率,但缺点是由于转换精度依赖于积分时间,因此转换速率极低。初期的单片ADC大多采用积分型,现在逐次比较型已逐步成为主流。双积分是一种常用的AD 转换技术,具有精度高,抗干扰能力强等优点。但高精度的双积分AD芯片,价格较贵,增加了单片机系统的成本。

2）逐次逼近型(如TLC0831) 。
逐次逼近型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构成,从MSB开始,顺序地对每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较,经n次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是速度较高、功耗低,在低分辨率( < 12位)时价格便宜,但高精度( > 12位)时价格很高。

3）并行比较型/串并行比较型(如TLC5510) 。
并行比较型AD采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称FLash型。由于转换速率极高, n位的转换需要2n - 1个比较器,因此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频AD 转换器等速度特别高的领域。串并行比较型AD结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型的是由2个n /2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比较实行转换,所以称为Halfflash型。

4）Σ-Δ调制型(如AD7701) 。
Σ- Δ型ADC以很低的采样分辨率( 1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化,通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率,然后对ADC输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率。Σ-Δ型ADC的电路结构是由非常简单的模拟电路和十分复杂的数字信号处理电路构成。

5）电容阵列逐次比较型。
电容阵列逐次比较型AD在内置DA转换器中采用电容矩阵方式,也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列DA转换器中多数电阻的值必须一致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片AD转换器。最近的逐次比较型AD转换器大多为电容阵列式的。

6）压频变换型(如AD650) 。
压频变换型是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率,然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辨率高、功耗低、价格低,但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

2.1 数模转换器(DAC)的基本原理

DAC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DAC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。DAC分为电压型和电流型两大类,电压型DAC有权电阻网络、T型电阻网络和树形开关网络等;电流型 DAC有权电流型电阻网络和倒T型电阻网络等。

1）电压输出型(如TLC5620) 。电压输出型DAC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DAC使用。

2）电流输出型(如THS5661A ) 。电流输出型DAC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。

3）乘算型(如AD7533) 。DAC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DAC。乘算型DAC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。

4）一位DAC。一位DAC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,用于音频等场合。

三.ADC和DAC的主要技术指标
1 ADC分辨率指输出数字量变化一个最低有效位(LSB)所需的输入模拟电压的变化量。

2 ADC的精度决定于量化误差及系统内其他误差之总和。一般精度指标为满量程的±0. 02% ,高精度指标为满量程的0. 001%。

3 转换速率是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到纳秒级。

4 量化误差由于AD 的有限分辨率而引起的误差,即有限分辨率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率AD (理想AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB、1 /2LSB。 DAC的主要技术指标
1）分辩率指输出模拟电压的最小增量,即表明DAC输入一个最低有效位(LSB)而在输出端上模拟电压的变化量。
2）建立时间是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间,也可以认为是转换时间。DA中常用建立时间来描述其速度,而不是AD中常用的转换速率。一般地,电流输出DA建立时间较短,电压输出DA则较长。
3）精度是指输入端加有最大数值量时,DAC的实际输出值和理论计算值之差,它主要包括非线性误差、比例系统误差、失调误差。
4）线性度在理想情况下,DAC的数字输入量作等量增加时,其模拟输出电压也应作等量增加,但是实际输出往往有偏离。

四.ADC和DAC的发展趋势和应用前景
自电子管ADC面世以来,经历了分立半导体、集成电路数据转换器的发展历程。ADC和DAC的生产已进入全集成化阶段,同时在转换速度和转换精度等主要指标上有了重大突破,还开发了一些具有与计算机直接接口功能的芯片。在集成技术中,又发展了模块、混合和单片机集成数据转换器技术。对高速ADC和 DAC的发展策略是在性能不受影响的前提下尽量提高集成度,为最终用户提供产品的解决方案。对ADC和DAC的需求大量增加,而且要求性能指标有较宽覆盖面,以便适应不同场合应用的要求。ADC主要的应用领域不断拓宽,广泛应用于多媒体、通讯、自动化、仪器仪表等领域。对不同的领域的不同要求,例如接口、电源、通道、内部配置的要求,每一类ADC都有相应的优化设计方法;同时,用户不仅要考虑到ADC本身的工艺和电路结构,而且还应考虑到ADC的外围电路,如相应的信号调理电路等模拟电路的设计。

随着通信事业、多媒体技术和数字化设备的飞速发展,信号处理越来越趋向数字化,促进了高速DAC有了长足进步,牵动着DAC制造商研制出许多新结构、新工艺及各种特殊用途的高速DAC。高速DAC的应用领域主要有三个方面:数字化仪器,包括波形重建和任意波形发生器;直接数合成(DDS) ,包括接收器本机振荡器、跳频无线电设备、通信系统、正交调制(QAM)系统和雷达系统;图形显示系统,包括失量扫描和光栅扫描。

数据转换器技术是模拟信号和数字信号之间的重要桥梁,低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是ADC /DAC转换器发展的趋势。同时, ADC /DAC转换器的效率和密度也在不断增加。除此以外,通信与网络设备的集成化趋势需要ADC /DAC转换器集成更多的功能,同时具有更宽的输出电压或多路输出。近年来转换器产品已达到数千种,ADC和DAC的市场呈稳步增长的发展趋势,它们在现代军用和民用电子系统中均显示出其重要性。