什么是ADC和DAC

ADC是Analog-to-Digital Converter的缩写，指模拟／数字转换器。我们常用的模拟信号，如温度、压力、电流等，如果需要转换成更容易储存、处理的数字形式，用模／数转换器就可以实现这个功能。

　　ADC将模拟输入信号转换成数字信号的电路或器件。模数转换器的实例有逐次逼近ADC，电压-频率(V/F)转换器，双斜率ADC和高速闪烁ADC。模数转换器也称为数字化仪。

A/D转换的作用是将时间连续、幅值也连续的模拟量转换为时间离散、幅值也离散的数字信号，因此，A/D转换一般要经过取样、保持、量化及编码4个过程。在实际电路中，这些过程有的是合并进行的，例如，取样和保持，量化和编码往往都是在转换过程中同时实现的。

取样和保持 　
取样是将随时间连续变化的模拟量转换为时间离散的模拟量。取样过程示意图如图1所示。图（a）为取样电路结构，其中，传输门受取样信号S(t)控制，在S(t)的脉宽τ期间，传输门导通，输出信号v_O(t)为输入信号v₁,而在（T_s-τ）期间，传输门关闭，输出信号v_O(t)=0。电路中各信号波形如图（b）所示。

图1 取样电路结构(a)

图1 取样电路中的信号波形(b)
通过分析可以看到，取样信号S(t)的频率愈高，所取得信号经低通滤波器后愈能真实地复现输入信号。但带来的问题是数据量增大，为保证有合适的取样频率，它必须满足取样定理。
取样定理：设取样信号S(t)的频率为f_s，输入模拟信号v₁(t)的最高频率分量的频率为f_imax，则f_s与f_imax必须满足下面的关系f_s≥2f_imax，工程上一般取f_s>(3～5)f_imax。
将取样电路每次取得的模拟信号转换为数字信号都需要一定时间，为了给后续的量化编码过程提供一个稳定值，每次取得的模拟信号必须通过保持电路保持一段时间。 　
取样与保持过程往往是通过取样-保持电路同时完成的。取样-保持电路的原理图及输出波形如图2所示。

图2 取样-保持电路原理图

图2 取样-保持电路波形图
电路由输入放大器A₁、输出放大器A₂、保持电容C_H和开关驱动电路组成。电路中要求A₁具有很高的输入阻抗，以减少对输入信号源的影响。为使保持阶段C_H上所存电荷不易泄放，A₂也应具有较高输入阻抗，A₂还应具有低的输出阻抗，这样可以提高电路的带负载能力。一般还要求电路中A_V1·A_V2=1。
现结合图2来分析取样-保持电路的工作原理。在t=t₀时，开关S闭合，电容被迅速充电，由于A_V1·A_V2=1，因此v₀=v_I，在t₀～t₁时间间隔内是取样阶段。在t=t₁时刻S断开。若A₂的输入阻抗为无穷大、S为理想开关，这样可认为电容C_H没有放电回路，其两端电压保持为v₀不变，图2(b)中t₁到t₂的平坦段，就是保持阶段。
取样-保持电路以由多种型号的单片集成电路产品。如双极型工艺的有AD585、AD684；混合型工艺的有AD1154、SHC76等。

量化与编码
数字信号不仅在时间上是离散的，而且在幅值上也是不连续的。任何一个数字量的大小只能是某个规定的最小数量单位的整数倍。为将模拟信号转换为数字量，在A/D转换过程中，还必须将取样-保持电路的输出电压，按某种近似方式归化到相应的离散电平上，这一转化过程称为数值量化，简称量化。量化后的数值最后还需通过编码过程用一个代码表示出来。经编码后得到的代码就是A/D转换器输出的数字量。
量化过程中所取最小数量单位称为量化单位，用△表示。它是数字信号最低位为1时所对应的模拟量，即1LSB。
在量化过程中，由于取样电压不一定能被△整除，所以量化前后不可避免地存在误差，此误差称之为量化误差，用ε表示。量化误差属原理误差，它是无法消除的。A/D 转换器的位数越多，各离散电平之间的差值越小，量化误差越小。
量化过程常采用两种近似量化方式：只舍不入量化方式和四舍五入的量化方式。
１.只舍不入量化方式
以3位A/D转换器为例，设输入信号v₁的变化范围为0～8V，采用只舍不入量化方式时，取△=1V，量化中不足量化单位部分舍弃，如数值在0～1V之间的模拟电压都当作0△，用二进制数000表示，而数值在1～2V之间的模拟电压都当作1△，用二进制数001表示……这种量化方式的最大误差为△。
２.四舍五入量化方式　
如采用四舍五入量化方式，则取量化单位△=8V/15，量化过程将不足半个量化单位部分舍弃，对于等于或大于半个量化单位部分按一个量化单位处理。它将数值在0～8V/15之间的模拟电压都当作0△对待，用二进制000表示，而数值在8V/15～24V/15之间的模拟电压均当作1△，用二进制数001表示等。
３.比较
采用前一种只舍不入量化方式最大量化误差│εmax│=1LSB,而采用后一种有舍有入量化方式│εmax│=1LSB/2，后者量化误差比前者小，故为多数A/D转换器所采用。
A/D转换器的种类很多，按其工作原理不同分为直接A/D转换器和间接A/D转换器两类。直接A/D转换器可将模拟信号直接转换为数字信号，这类A/D转换器具有较快的转换速度，其典型电路有并行比较型A/D转换器、逐次比较型A/D转换器。而间接A/D转换器则是先将模拟信号转换成某一中间电量(时间或频率)，然后再将中间电量转换为数字量输出。此类A/D转换器的速度较慢，典型电路是双积分型A/D转换器、电压频率转换型A/D转换器。
DAC是Digital-to-Analog Converter的缩写，指数字/模拟转换器。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位权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位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。

DAC的原理

• 　　数模转换器电路的各电阻值是按4位二进制数的位权大小取定：最低位对应的电阻最大，为23R，相邻低位减半，最高位对应的电阻最小，为20R。无论D＝1还是D＝0，各2R支路上端经S都等效为接地，其等效电路如图：

  　　无论开关合向1还是0，电路结构不变，各支路电流不变。开关状态仅仅决定电流是流向运算放大器的虚地端还是流向地端。从输入数字信号的高位D3到低位D0，流入4个结点的电流分别被分流为I3＝I/2，I2=I/22，I1=I/23， I0=I/24。从而完成了数模之间的转换。

DAC的重要参数

　　1.分辨率

• 　　指最小输出电压与最大输出电压之比，也是最小输入数字量1与最大输入数字量2n-1之比。

  　　2.转换精度

  　　是指输出模拟电压的实际值与理想值之差，即最大静态转换误差。

  　　它是由于参考电压UR偏离标准值、运算放大器的零点漂移、模拟开关的压降及电阻值的偏差等原因所引起的。除此之外，应选用多位数DAC、选用稳定度高的参考电压源和低零漂的运算放大器与之配合。

  　　3.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±? LSB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。

DAC的构成

• 　　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 的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。