数模转换器(DAC)，模数转换器(ADC)的解释

一个数模转换器（DAC，承兑交单，D2A,或数模)是一种将数字输入信号转换为模拟输出信号的电路。模数转换器(ADC)以相反的方式工作，将模拟输入信号转换为数字输出。

在这篇文章中，我们全面讨论如何数字到模拟，模拟到数字转换电路工作，使用图表和公式。

在电子学中，我们可以看到电压和电流随不同的量程和幅度连续变化。

在数字电路中，电压信号有两种形式，一种是逻辑高电平，一种是逻辑低电平，它们表示二进制值1或0。

在模数转换器(ADC)中，输入的模拟信号表示为数字幅度，而数模转换器(DAC)则将数字幅度转换回模拟信号。

数模转换器是如何工作的

数模转换过程可以通过许多不同的技术进行。

一种著名的方法是利用电阻器网络，称为阶梯网络。

阶梯网络设计用于接收通常在0v或Vref的二进制值输入，并提供与二进制输入大小相等的输出电压。

下图展示了使用4个输入电压的梯形网络，表示4位数字数据和直流电压输出。

输出电压与数字输入值成正比，如式所示:

求解上面的例子，我们得到如下输出电压:

如我们所见，数字输入0110₂转换成6v的模拟输出。

梯形网络的目的是改变16个潜在的二进制震级
从0000到1111转换为以V为间隔的16个电压值之一_裁判/ 16。

因此，可以通过包含更多数量的阶梯单元来处理更多的二进制输入，并为每一步实现更高的量化。

意思是，假设我们使用一个10级阶梯网络，将允许使用增加电压步进量或分辨率到V_裁判／2¹⁰或V_裁判/ 1024。在这种情况下，如果我们使用参考电压V_裁判= 10v将产生10v / 1024级的输出电压，或在10mv左右。

因此，增加更多的阶梯级将相应地提供更高的分辨率。

通常情况下,对n梯子的台阶数，可以用下面的公式表示:

V_裁判/ 2ⁿ

DAC框图

下图显示了使用阶梯网络的标准DAC的框图，参考R-2R梯子。这可以看到锁定在参考电流源和电流开关之间。

电流开关与二进制开关连接，产生与输入二进制值成比例的输出电流。

二进制输入切换梯子各自的腿，使输出电流是当前参考的加权和。

如果需要，可以将电阻与输出连接起来，以将结果解释为模拟输出。

模数转换器是如何工作的

到目前为止，我们讨论了如何将数字信号转换为模拟信号，现在我们来学习如何将模拟信号转换为数字信号。这可以通过称为双斜率方法．

下图是标准双斜率ADC转换器的框图。

这里，一个电子开关被用来把需要的模拟输入信号转移到积分器，也称为斜坡发生器。这个斜坡发电机可以是一个电容的形式，带有一个恒定的电流，以产生线性斜坡。这就产生了所需的数字转换，通过一个计数级，对正和负的斜率区间的积分器工作。

该方法可以通过以下描述来理解:

计数器的全量程决定了固定的时间间隔。在这段时间内，加到积分器上的输入模拟电压使比较器的输入电压上升到某个正电平。

参照上图的(b)部分，可以看出在固定时间间隔结束时，积分器的电压高于量值较大的输入电压。

当固定时间间隔结束时，计数设为0，提示电子开关将积分器连接到一个固定的参考输入电压电平。在这之后，积分器的输出也就是电容的输入开始以恒定的速率下降。

在此期间，计数器继续前进，而积分器的输出继续以恒定的速率下降，直到低于比较器的参考电压。这将导致比较器输出改变状态，并触发控制逻辑级以停止计数。

计数器内存储的数字幅度成为转换器的数字输出。

在正斜率和负斜率区间内使用一个共同的时钟和积分器级，为控制时钟频率漂移增加了某种补偿，并限制了积分器的精度。

通过适当设置参考输入值和时钟速率，可以根据用户的偏好缩放计数器输出。如果需要，我们可以将计数器作为二进制、BCD或其他数字格式。

使用梯形网络

采用计数器和比较器级的阶梯网络方法是实现模数转换的另一种理想方法。在这种方法中，计数器从零开始计数，驱动阶梯网络，产生阶梯递增的电压，类似于楼梯(见下图)。

该过程允许电压随着每一步计数而增加。

比较器监测这个递增的阶梯电压，并将其与模拟输入电压进行比较。一旦比较器感觉到阶梯电压超过模拟输入，其输出提示停止计数。

此时的计数器值成为模拟信号的数字等价物。

由阶梯信号的阶跃产生的电压变化的水平是由所使用的计数位的数量决定的。

例如，使用10v基准的12级计数器将运行一个10级阶梯网络，阶梯电压为:

V_裁判／2¹²= 10v / 4096 = 2.4 mV

这将创建2.4 mV的转换分辨率。执行转换所需的时间由计数器的时钟速率决定。

若以1兆赫的时钟频率操作12级计数器，转换所需的最长时间为:

4096 × 1 μs = 4096 μs≈4.1 ms

每秒可能的最小转换数为:

不。转换的次数= 1/4.1 ms≈244次/秒

影响转换过程的因素

考虑到一些转换可能需要更高的计数时间，一些可能需要更低的计数时间，通常转换时间= 4.1ms / 2 = 2.05 ms可以是一个很好的值。

这将产生2 x 244 = 488个平均的转换数。

更慢的时钟速率意味着更少的每秒转换。

使用较低计数级(低分辨率)的转换器将有较高的转换速率。

换流器的精度直接关系到换流器的精度。