DAC_ADC模数及数模转换器的发展综述1 概述随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展普及，在现代控制、通讯及检测领域中，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。
由于系统的实际处理对象往往都是一些模拟量（如温度、压力、位移、图像等），要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将其转换成为相应的模拟信号才能为执行机构所接收。
这样，就需要一种能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换电路或数模转换电路。
能将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称ADC转换器）；而将能反数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器（简称DAC转换器），ADC转换器和DAC 转换器已经成为计算机系统中不可缺少的接口电路。
2 数模转换电路2.1 数模转换电路原理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权。
为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其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。
这就是构成DAC转换器的基本思路。
2.2 数模转换电路的主要性能指标DAC转换器的主要性能指标有：转换速度、转换精度、抗干扰能力等。
在选用D/A转换器时，一般应根据上述几个性能指标综合进行考虑。
2.3 二进制加权架构从概念上讲，最简单的DAC采用的是二进制加权架构，在该架构中，将n个二进制加权元件（电流源、电阻器或电容器）进行组合以提供一个模拟输出（n = DAC分辨率）。
这种架构虽然最大限度地减少了数字编码电路，但MSB和LSB加权之间的差异却随着分辨率的增加而增大，从而使得元件的精确匹配变得很困难。
采用该架构的高分辨率DAC不仅难以制造，而且还对失配误差很敏感。
2.4 开尔文（Kelvin）分压器架构开尔文分压器架构由2的n次方个等值电阻器组成，与二进制加权法相比，这种架构简化了匹配处理（见图1）。
电阻器具有相等的阻值，因此必须对输入进行编码。
输出是通过对2的n次方个开关中的一个进行解码以便将其接入电阻器串的某一特定位置的方法来决定的。
该架构的优点是其所具有的完全单调、电压输出和低干扰（因为在每个代码变换过程中只有两个开关处于操作状态）特性。
如果所有的电阻器都具有相同的阻值，它还将是线性的。
一种相关的电流输出架构采用2的n次方个并联于一个基准电压与虚拟地之间的电流源。
这种架构的主要缺点是它需要大量的电阻器和电流源。
对于8位以上的分辨率，该架构在外形尺寸和匹配方面的劣势令人望而却步。
不过，虽然不适用于较高的分辨率，但此类被称为“全解码型”的架构常被用作更加复杂的“分段式”D AC的积木式部件。
2.5 分段式DAC分段式架构可被用于电流输出和电压输出DAC。
可以对开尔文分压器电路中的解码电阻器两端的电压做进一步的细分以构成一个电压分段式DAC。
这种电压的细分能够通过增设第二个开尔文分压器电路（在这种场合，该架构被称为开尔文-华莱分压器）或采用一种不同的架构来实现（见图2）。
只要每个单独的分段是单调的，则整个DAC的输出都将保持单调。
由于单独的分段具有较低的分辨率，所以容易实现单调性。
分段式架构所带来的额外好处是所需电阻器数量的减少（对于给定的分辨率而言）以及硅片尺寸的压缩。
因此，对高分辨率DAC进行分段是司空见惯的做法。
其总体线性度仍然由电阻器匹配来决定。
2.6 R-2R型电阻网络架构DACR-2R型（即梯形网络）架构简化了电阻器匹配要求，因为当转换系数为2:1时只需要两个电阻器值。
R-2R型架构可被用作一个电压模式或电流模式DAC。
R-2R型电阻网络DAC由于只用R和2R两种阻值的电阻，克服了二进制权电阻DAC阻值范围宽的缺点。
2.6.1 电流模式大多数R-2R电流模式架构基于图3a所示的电路。
一个外部基准被施加于Vref引脚。
R-2R梯形网络将输入电流分割成二进制加权电流。
根据数字输入的不同将这些电流导引至节点1或节点2。
电流输出节点通常与一个被配置为电流-电压转换器的运算放大器相连。
出于匹配的原因，运算放大器反馈电阻器常常被集成在DAC芯片上。
开关始终处于地电位，而且，其额定电压并不影响基准额定电压。
如果开关被设计成能够在两个方向上传输电流，则可将一个AC信号用作基准，从而形成一个复用DAC。
Vref的输入阻抗是恒定的，且与R相等。
该架构的缺点是由运算放大器所引起的反相以及复杂的运算放大器稳定性问题，其原因是DAC输出阻抗会随数字输入的变化而变化。
由于开关直接与输出相连，因此电流模式操作还会导致更加严重的干扰。
2.6.2 电压模式电压模式R-2R型DAC在Vref与地之间对电阻器进行开关操作。
基准电压被施加在节点1上。
梯形网络上的每一级提供一个二进制记数值，输出在梯形网络的末端以累积电压的形式获得（见图3b）。
输出电压具有恒定的阻抗，从而简化了放大器的稳定处理。
一个正基准电压将提供一个正输出，因而使单电源操作成为可能。
最大限度地减轻了由开关电容所产生的干扰。
缺点是基准输入阻抗的变化范围很宽，因此必须采用一个低阻抗基准。
同样，开关的工作电压在地电位至Vref之间，从而限制了基准的容许范围。
对于高分辨率DAC，常见的做法是将一个R-2R梯形网络架构与一个全解码型DAC组合在一个分段式架构中。
比如，16位分辨率的AD7564就是最先采用全解码型4位电阻器串与12位R-2R型架构相组合的DAC之一。
65 536级输出电平被分成16组（每组4096级）。
4位处理部分的单调性是由设计来提供保证的，因此12位R-2R型DAC决定了总体单调性。
与全16位DAC相比，匹配和修整都要容易得多。
分段式架构减少了电阻器总数并简化了高分辨率DAC的修整。
2.7 Σ-Δ型架构Σ-Δ型架构可被用于那些优先考虑线性度（而不是带宽）的DAC（比如音频DAC）。
该架构由一个数字内插滤波器、Σ-Δ调制器和一个1位DAC所组成（见图4）。
内插滤波器接受一个低速率的输入数据流，并通过插入零值来增加某一特定时间段内的总字数，从而提高了DAC的取样率。
滤波器通过内插处理向插入字分配数值，以便将输出频谱中的噪声集中在高频段。
这具有将噪声从频带中排出的作用，从而达到降低带内噪声和提高分辨率的目的。
调制器起一个信号低通滤波器的作用，它将信号转换成一个被馈入1位DAC中的高速位流。
根据位流中“1”和“0”的平均数量的不同，DAC输出将位于正基准电压与负基准电压之间变化。
可由1位DAC（从理论上讲它具有完美的线性）获得非常高的线性度。
转换器的一个主要部分采用数字电路，因而能够保持较小的芯片面积和较低的功耗。
2.8 制造工艺架构并非影响DAC性能的唯一因素。
DAC是由开关、电阻器、放大器和逻辑器件组合而成的。
双极型工艺非常适合于制造低噪声稳定放大器和基准，但需要很大的电路板面积用以布设逻辑器件和开关。
这往往会增加硅片尺寸和成本，但常常又是实现高性能DAC所必需采用的制造工艺。
CMOS工艺则是制造高密度低功耗逻辑器件和开关的理想选择，但不太适用于放大器。
对于要求低功耗和小外形封装的DAC来说，CMOS工艺往往是优选方案。
3 模数转换电路3.1 模数转换技术模数转换包括采样、保持、量化和编码四个过程。
采样就是将一个连续变化的信号x(t)转换成时间上离散的采样信号x(n)。
根据奈奎斯特采样定理，对于采样信号x(t)，如果采样频率fs大于或等于2fmax(fmax为x(t)最高频率成分)，则可以无失真地重建恢复原始信号x(t)。
实际上，由于模数转换器器件的非线性失真，量化噪声及接收机噪声等因素的影响，采样速率一般取fs=2.5fmax。
通常采样脉冲的宽度是很短的，故采样输出是断结的窄脉冲。
要反一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间，这就是保持过程。
量化是将连续幅度的抽样信号转换成离散时间、离散幅度的数字信号，量化的主要问题就是量化误差。
假设噪声信号在量化电平中是均匀分布的，则量化噪声均方值与量化间隔和模数转换器的输入阻抗值有关。
编码是将量化后的信号编码成二进制代码输出。
这些过程有些是合并进行的，例如，采样和保持就利用一个电路连续完成，量化和编码也是在转换过程同时实现的，且所用时间又是保持时间的一部分。
实现这些过程的技术有很多，从早在上世纪70年代就出现的积分型到最新的流水线模数转换技术，种类繁多。
由于原理的不同，决定了它们性能特点的差别。
在ADC转换中，因为输入的模拟信号在时间上是连续量，而输出的数字信号代码是离散量，所以进行转换时必须在一系列选定的瞬间（亦即时间坐标轴上的一些规定点上）对输入的模拟信号取样，然后再把这些取样值转换为输出的数字量。
因此，一般的ADC转换过程是通过取样、保持、量化和编码这四个步骤完成的。
取样定理：为了正确无误地用取样信号表示模拟信号，必须满足取样频率至少大于2倍信号的最大频率。
因为每次把取样电压转换为相应的数字量都需要一定的时间，所以在每次取样以后，必须把取样电压保持一段时间。
可见，进行ADC转换时所用的输入电压，实际上是每次取样结束时的信号值。
量化和编码我们知道，数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上的变化也不是连续的。
这就是说，任何一个数字量的大小，都是以某个最小数量单位的整倍数来表示的。
因此，在用数字量表示取样电压时，也必须把它化成这个最小数量单位的整倍数，这个转换过程就叫做量化。
所规定的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。
显然，数字信号最低有效位中的1表示的数量大小，就等于△。
把量化的数值用二进制代码表示，称为编码。
这个二进制代码就是ADC转换的输出信号。
既然模拟电压是连续的，那么它就不一定能被△整除，因而不可避免的会引入误差，我们把这种误差称为量化误差。
在把模拟信号划分为不同的量化等级时，用不同的划分方法可以得到不同的量化误差。
模数转换技术是现实各种模拟信号通向数字世界的桥梁，作为将模拟信号转换成数字信号的模数转换技术主要有以下几种。
逐次逼近型、积分型、压频变换型等，主要应用于中速或较低速、中等精度的数据采集和智能仪器中。
分级型和流水线型ADC主要应用于高速情况下的瞬态信号处理、快速波形存储与记录、高速数据采集、视频信号量化及高速数字通讯技术等领域。
此外，采用脉动型和折叠型等结构的高速ADC，可应用于广播卫星中的基带解调等方面。
∑-Δ型ADC主应用于高精度数据采集特别是数字音响系统、多媒体、地震勘探仪器、声纳等电子测量领域。
下面对各种类型的ADC作简要介绍。
3.2 模数转换电路的主要技术指标（1）、转换时间：完成一次A／D转换所需时间。
（2）、分解度：分解度又称分辨率，是指输出数字量最低有效位为1所需的模拟电压输入值。