数模转换器，又称D/A转换器，简称DAC，是将数字转换成模拟信号，实现数字信号与模拟信号间相互转换的集成电路。D/A转换器基本上由4个部分组成，即全电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。[1]

最常见的数模转换器是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流，它常用作过程控制计算机系统的输出通道，与执行器相连，实现对生产过程的自动控制。数模转换器电路还用在利用反馈技术的模数转换器设计中。

中文名

数模转换器

模数转换器

A/D转换器

性能指标

分辨率

输出最小电压

-12V

简称

DAC

转换方式

数模转换有两种转换方式：并行数模转换和串行数模转换。

数模转换器

并行数模转换

图1为典型的并行数模转换器的结构。虚线框内的数码操作开关和电阻网络是基本部件。图中装置通过一个模拟量参考电压和一个电阻梯形网络产生以参考量为基准的分数值的权电流或权电压；而用由数码输入量控制的一组开关决定哪一些电流或电压相加起来形成输出量。所谓“权”，就是二进制数的每一位所代表的值。例如三位二进制数“111“,右边第1位的“权”是20/23=1/8；第2位是21/23=1/4；第3位是22/23=1/2。位数多的依次类推。图2为这种三位数模转换器的基本电路,参考电压VREF在R1、R2、R3中产生二进制权电流,电流通过开关。当该位的值是“0”时,与地接通；当该位的值是“1”时,与输出相加母线接通。几路电流之和经过反馈电阻Rf产生输出电压。电压极性与参考量相反。输入端的数字量每变化1，仅引起输出相对量变化1/23=1/8,此值称为数模转换器的分辨率。位数越多分辨率就越高，转换的精度也越高。工业自动控制系统采用的数模转换器大多是10位、12位，转换精度达0.5～0.1%。

串行数模转换

串行数模转换是将数字量转换成脉冲序列的数目，一个脉冲相当于数字量的一个单位，然后将每个脉冲变为单位模拟量，并将所有的单位模拟量相加，就得到与数字量成正比的模拟量输出，从而实现数字量与模拟量的转换。

随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域，为了提高系统的性能指标，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、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也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。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--模数和数模转换器。

将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC,Analog to Digital Converter）；将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器（简称D/A转换器或DAC,Digital to Analog Converter）；A/D转换器和D/A转换器已成为计算机系统中不可缺少的接口电路。

为确保系统处理结果的精确度，A/D转换器和D/A转换器必须具有足够的转换精度；如果要实现快速变化信号的实时控制与检测，A/D与D/A转换器还要求具有较高的转换速度。转换精度与转换速度是衡量A/D与D/A转换器的重要技术指标。随着集成技术的发展，现已研制和生产出许多单片的和混合集成型的A/D和D/A转换器，它们具有愈来愈先进的技术指标。本章将介绍几种常用A/D与D/A转换器的电路结构、工作原理及其应用。

技术指标

DAC积分线性误差

数模转换器是最基本最重要的混合信号构建模块，其输出可以是单端，也可以是差分；器件可以是单极性，也可以是双极性的；DAC的传递函数是线性的，也可以是非线性的，如"LogDAC"为对数传递函数，主要应用在音频系统中。实际传递函数与理想传递函数的拟合度可以用DAC的积分非线性或INL来描述，通常有两种表达方法：一种是端点方法，如图1左图所示，另一种是最佳直线的方法，如图1右图所示。即使是简单的Σ-Δ转换器那样并不呈现微分非线性误差的转换器也都有INL误差，而且这个误差还会影响到杂散和失真的性能。

DAC不仅可以对输入代码产生一个量化输出电平的响应，同时也可以动态产生信号。与ADC一样，DAC也是一个采样数据系统，因而遵循奈奎斯特和香农采样定理。

此外，建立时间是一个DAC设计多方面的技术指标。简单的可以理解为从输出电压离开一个具有指定误差范围电平到稳定进入目标误差范围电平的时间。有些制造商定义的建立时间还包括与锁存和开关设置时间相关的寄存器延迟，以及如图2中所示的左侧的死区。前者在使用DAC产生动态信号时更为有用，而后者对于电平设置的调节很重要。不符合建立时间的时序指标可能会导致性能上的问题。

分类

按解码网络结构不同

可分为：T型电阻网络D/A转换器、倒T型电阻网络D/A转换器相、权电流D/A转换器、权电阻网络D/A转换器

按模拟电子开关电路不同

可分为：CMOS开关型D/A转换器、双极型开关D/A转换器（电流开关型）、ECL电流开关型（转换速度更高）

架构

电阻率DAC

DAC的一个基本构建模块是一个简单的开关。右图所示为最简单的电压输出DAC架构，包括一个Kelvin分压器，温度计式DAC，全译码器。这种DAC也可称为电阻串（string）DAC。图中所示的是一个3位电阻串DAC，一般来讲电阻串DAC不超过8位。对于Kelvin分压式DAC，由输入代码的改变而产生的开关毛刺相对恒定，与代码在DAC范围内所处位置无关，因此成为了目前较高分辨率的分段式DAC的常用构建模块。基准电压是加在阶梯型电阻串的顶部，输入代码确定了开关与电阻串的连接。由于CMOS开关漏电流很小，而且可以实现很高的集成度，因此，电阻串DAC常采用CMOS制造工艺。

如果去掉右图电阻串DAC最上面的电阻，梯形电阻串的上下两个端点就变成了电位器的两个端点，从而得到数字电位器，电阻串DAC的输出成为了电位器的抽头。

数模转换器

应用

DAC应用1

1. 在LCD中用来控制白色LED背光亮度

如图中所示，环境亮度检测器输出一个正比于现有光线亮度的电流，TIA(跨导放大器)将这个小电流转变成一个电压，再把这个电压送入A/D转换器。系统中的微控制器读出A/D的输出，并通过I2C接口对数字电位器进行设定。数字电位器被连接到白色LED驱动器ADM8846的RSet引脚，从而改变了它提供给LED的输出电流，这样就完成了对LED的亮度控制。在上电时， AD5245预置为中间阻值。

DAC应用2

2. 6通道视频编码器ADV7322同时在标清TV和高清TV上显示视频的应用

右图所示的是6通道视频编码器ADV7322同时在标清TV和高清TV上显示视频的应用。图中上面的高清TV视频信号是将模拟的Y、Pr、Pb信号分开，使用三条线缆来独立传输，而下面的标清TV输入的是复合视频信号，ADV7322的6路输出都要加缓冲器以驱动高清和标清的显示器。此外，由于AD8061具有出色的适合视频应用的参数特性，所以这里选用AD8061做缓冲器。ADV7322的输出还可能根据连接设备的需要，加一个模拟低通滤波器以实现反镜像滤波。最后需要说明的一点是，虽然ADV7322含有片上基准，但可能还要考虑使用一个更好的外部基准来优化其性能，比如AD1580。

构成和特点

DAC主要由数字寄存器、模拟电子开关、位权网络、求和运算放大器和基准电压源（或恒流源）组成。用存于数字寄存器的数字量的各位数码，分别控制对应位的模拟电子开关，使数码为1地位在位权网络上产生与其位权成正比的电流值，再由运算放大器对各电流值求和，并转换成电压值。

根据位权网络的不同，可以构成不同类型的DAC，如权电阻网络DAC、R–2R倒T形电阻网络DAC和单值电流型网络DAC等。权电阻网络DAC的转换精度取决于基准电压VREF，以及模拟电子开关、运算放大器和各权电阻值的精度。它的缺点是各权电阻的阻值都不相同，位数多时，其阻值相差甚远，这给保证精度带来很大困难，特别是对于集成电路的制作很不利，因此在集成的DAC中很少单独使用该电路。

它由若干个相同的R、2R网络节点组成，每节对应于一个输入位。节与节之间串接成倒T形网络。R–2R倒T形电阻网络DAC是工作速度较快、应用较多的一种。和权电阻网络比较，由于它只有R、2R两种阻值，从而克服了权电阻阻值多，且阻值差别大的缺点。

电流型DAC则是将恒流源切换到电阻网络中，恒流源内阻极大，相当于开路，所以连同电子开关在内，对它的转换精度影响都比较小，又因电子开关大多采用非饱和型的ECL开关电路，使这种DAC可以实现高速转换，转换精度较高。

数字输出选择

1.高端仪表促进了更快的ADC速度和更多的通道数与密度，设计者必须评估转换器的输出格式，以及基本的转换性能。

2.主要的输出选项是CMOS(互补金属氧化物半导体)、LVDS(低压差分信令)，以及CML(电流模式逻辑)。

3.要考虑的问题包括：功耗、瞬变、数据与时钟的变形，以及对噪声的抑制能力。

4.对于布局的考虑也是转换输出选择中的一个方面，尤其当采用LVDS技术时。当设计者有多种ADC选择时，他们必须考虑采用哪种类型的数字数据输出：CMOS(互补金属氧化物半导体)、LVDS(低压差分信令)，还是CML(电流模式逻辑)。ADC中所采用的每种数字输出类型都各有优缺点，设计者应结合自己的应用来考虑。这些因素取决于ADC的采样速率与分辨率、输出数据速率，以及系统设计的功率要求，等等  。

性能指标

D/A转换器的主要特性指标包括以下几方面：

分辨率

指最小输出电压(对应的输入数字量只有最低有效位为“1”)与最大输出电压(对应的输入数字量所有有效位全为“1”)之比。如N位D/A转换器，其分辨率为1/(2^N-1)。在实际使用中，表示分辨率大小也是方也是也是用输入数字量的位数来表示。

线性度

用非线性误差的大小表示D/A转换的线性度。并且把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。

转换精度

D/A转换器的转换精度与D/A转换器的集成芯片的结构和接口电路配置有关。如果不考虑其他D/A转换误差时，D/A的转换精度就是分辨率的大小，因此要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关，当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，D/A转换就产生错误。

在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。

转换速度

转换速度一般由建立时间决定。从输入由全0突变为全1时开始，到输出电压稳定在FSR±½LSB范围（或以FSR±x%FSR指明范围）内为止，这段时间称为建立时间，它是DAC的最大响应时间，所以用它衡量转换速度的快慢。

温度系数

在满刻度输出的条件下，温度每升高1℃，输出变化的百分数定义为温度系数。

电源抑制比

对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。

工作温度范围

一般情况下，影响D/A转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。由于工作温度会对运算放大器加权电阻网络等产生影响，所以只有在一定的工作范围内才能保证额定精度指标。

较好的D/A转换器的工作温度范围在-40℃～85℃之间，较差的D/A转换器的工作温度范围在0℃～70℃之间。多数器件其静、动态指标均

在25℃的工作温度下测得的，工作温度对各项精度指标的影响用温度系数来描述，如失调温度系数、增益温度系数、微分线性误差温度系数等。

失调误差

失调误差(或称零点误差)定义为数字输入全为0码时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。对于单极性D/A转换，模拟输出的理想值为零伏点。对于双极性D/A转换，理想值为负域满量值得值值得的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。

增益误差

D/A转换器的输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差称为增益误差(或称标度误差)。增益误差在消除失调误差后用满码。

输入时其输出值与理想输出值(满量程)之间的偏差表示，一般也用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。

非线性误差

D/A转换器的非线性误差定义为实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。在转换器电路设计中，一般要求非线性误差不大于±1/2LSB。