關(guān)于D/A，A/D轉(zhuǎn)換的探討

摘要：本文探究了D/A，A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)，比較了各種轉(zhuǎn)換電路的性能特征，最后，分析了A/D與D/A轉(zhuǎn)換器主流工藝技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。為系統(tǒng)學(xué)習(xí)電子技術(shù)的有關(guān)知識奠定了良好基礎(chǔ)，同時為電子設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：D/A轉(zhuǎn)換器；A/D轉(zhuǎn)換器；模擬量；數(shù)字量

中圖分類號：TN702 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 14-0017-01

一、轉(zhuǎn)換器綜述

隨著數(shù)字電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是計算機在自動化控制，檢測及其他領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，數(shù)字電路處理模擬信號的情況越來越普遍。處理前須將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，才能傳入數(shù)字系統(tǒng)進行處理。最后，信號還要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號，所以D/A，A/D轉(zhuǎn)換十分重要，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)決定了信號轉(zhuǎn)換性能。D/A轉(zhuǎn)換器即把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，它主要通過電阻網(wǎng)絡(luò)，模擬開關(guān)和運算放大器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電流，再用加法器將各支部電流相加轉(zhuǎn)換為電壓。A/D轉(zhuǎn)換器即將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，轉(zhuǎn)換步驟為取樣，保持，量化和編碼。

（一）主要技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)換精度，為輸出模擬電壓實際值與理論值之差，一般用輸出電壓滿刻度的百分?jǐn)?shù)或者是最低有效位數(shù)字的倍數(shù)來表示。在D/A轉(zhuǎn)換器中通常用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述轉(zhuǎn)換精度。轉(zhuǎn)換速度，是指輸出數(shù)字信號建立到輸出電壓穩(wěn)定所需時間。在D/A，轉(zhuǎn)換器中是用建立時間tset來定量描述轉(zhuǎn)換速度的。

D/A，A/D轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了模擬數(shù)字領(lǐng)域的溝通，微處理器飛速發(fā)展也促進了D/A，A/D轉(zhuǎn)換器的迅速發(fā)展。D/A，A/D轉(zhuǎn)換速度及精度，隨著計算機計算精度的提高也隨之提高。在實際中，不僅要選分辨率較高的D/A，A/D轉(zhuǎn)換器，還需考慮參考電源和供電電源的穩(wěn)定度及環(huán)境溫度的變化。否則，選用較高分辨率的芯片，也不一定會得到應(yīng)有的轉(zhuǎn)換精度[1]。

（二）目前A/D、D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

A/D轉(zhuǎn)換器主要應(yīng)用于計算機，電力電子測量工業(yè)，家用電器等領(lǐng)域。作為未來通信的發(fā)展方向，軟件無線電的靈活性和通用性備受世界關(guān)注。A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換在軟件無線電中起十分重要作用，所以器件選取和外圍電路的設(shè)計就十分重要了。

現(xiàn)狀：在控制方面和智能儀器中，大多由單片機進行實時控制和處理，檢測的對象則為一些變化的模擬量（如溫度、電壓、電流、電阻、壓力、速度流量、等），需將這些模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，才能供單片機進行處理，這個過程稱為模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換。目前國外生產(chǎn)的是些大規(guī)模集成電路，尤其是混合集成電路、單片A/D轉(zhuǎn)換器和內(nèi)嵌MCU的A/D，我國也生產(chǎn)出許多A/D芯片，它們與單片機結(jié)合可應(yīng)用于各種領(lǐng)域，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。

目前，集成A/D轉(zhuǎn)換器的發(fā)展方向為單片集成化、智能化、多功能、微功耗、高速、高分辨率和高可靠性。

二、D/A轉(zhuǎn)換器

（一）權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)為一組電阻組成，流過每個接到基準(zhǔn)電源UREF上電阻的電流和對應(yīng)的權(quán)位成正比。權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點為電路結(jié)構(gòu)簡單，元器件數(shù)量較少。但二進制數(shù)位較多時，權(quán)電阻的轉(zhuǎn)換精度隨著其電阻種類的增多數(shù)量的增大，效率變低。

（二）倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器

R-2R網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)速速度較高，各支路的電流直接流入運算放大器的反相端，它們之間不存在傳輸誤差，減小了動態(tài)過程中輸出端可能出現(xiàn)的尖峰脈沖。只涉及兩種阻值，因而不僅容易保證電阻網(wǎng)絡(luò)精度，而且集成化也較容易[2]。

（三）權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器

T電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器具有較高的轉(zhuǎn)換速度，但因流過各支路的電流變化時電路中存在模擬開關(guān)電壓降，轉(zhuǎn)換差就會產(chǎn)生。進一步提高D/A轉(zhuǎn)換器的精度，可采用該方式的D/A轉(zhuǎn)換。

三、A/D轉(zhuǎn)換器

（一）并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有高速特點，在所有A/D轉(zhuǎn)換器種類中速度最快。A/D轉(zhuǎn)換器的缺點是分辨率低，適用于轉(zhuǎn)換速度快而精度不高的場所。

（二）串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器

串行比較型A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬信號依時間順序通過一連串的比較器。由于后一位的輸入結(jié)果反映前一位的剩余量，所以這種轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率較低，且用的比較器較多。

（三）逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器

逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，從高位進行比較，最低位進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化的時間隨著數(shù)字化的位數(shù)越多而增多，轉(zhuǎn)化速度比并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器低些。

（四）雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，采用電壓轉(zhuǎn)換成時間，再將時間轉(zhuǎn)化成數(shù)字的間接轉(zhuǎn)換方法。輸入信號是被積函數(shù)積分的行式，積分電路響應(yīng)為輸入信號的平均值，因此輸入信號脈沖抗干擾能力強。另外，在兩次積分內(nèi)，只要元件RC參數(shù)不發(fā)生瞬時改變，轉(zhuǎn)換結(jié)果就與RC值無關(guān)，因此對元件穩(wěn)定性要求不太高，但正是因為積分，轉(zhuǎn)換時間相對長些，而且第二次積分還不能固定，顧此方法只能用于低速場合。

四、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器主流工藝技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

繼第一塊采用雙極工藝制作的單片集成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器AD571后，單片機工藝每次的技術(shù)進步都推動了A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的發(fā)展，促進了A/D、D/A轉(zhuǎn)化器器件尺寸的減小及性能的提高。A/D、D/A轉(zhuǎn)化器也在朝向高速，高精度，高分辨率，低功耗的方向發(fā)展，尤其后兩者是滿足新型的電池供電設(shè)備十分重要的屬性要求。

IC產(chǎn)業(yè)對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的高要求，促使A/D、D/A轉(zhuǎn)換器逐漸發(fā)展為高速，高精度，高分辨率，低壓，低功耗。而其抗干擾性，線性度，動態(tài)范圍及芯片尺寸等指標(biāo)也在其性能優(yōu)化中起著關(guān)鍵作用。在工藝方面，分為各種工藝縱向發(fā)展或者是各種工藝相互融合，前者通過新的技術(shù)手段，逐步提高工藝能力，在各個的領(lǐng)域發(fā)展其所長，CMOS工藝發(fā)展無疑潛力最大，在制作高速高精度A/D、D/A轉(zhuǎn)換器方面具有較大優(yōu)勢；而純雙極工藝將很難有所發(fā)揮。后者則形成性能互補，各種技術(shù)結(jié)合使用，來提高電路的綜合性能，如SiGe、SOI、應(yīng)變硅等技術(shù)相互結(jié)合[3]。

參考文獻：

[1]紀(jì)宗南.集成A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)用技術(shù)和使用電路[M].北京:中國電力出版社，2005.

[2]雨宮好文.小柴典居數(shù)字電路[M].北京:科學(xué)出版社，2000.

[3]韓衛(wèi)敏，楊永暉.A/D與D/A轉(zhuǎn)換器主流工藝技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].微電子學(xué)，2008.