数模转换器DAC的工作原理及应用领域详解

数模转换器（Digital-to-Analog Converter，也称为#D/A转换器#，简称DAC）是一种电子设备，用于将数字信号转换为模拟信号。在数字电子系统中，数字信号是以离散的形式表示的，而模拟信号则是连续的。#数模转换器#将数字信号转换为模拟信号，使得数字系统能够与模拟系统进行交互和通信。

数模转换器通常用于各种应用，例如音频设备、通信系统、控制系统以及传感器接口等。在这些应用中，数字信号可能需要转换为模拟信号以供输出到扬声器、驱动电机、控制电压或模拟传感器等。

数模转换器的主要类型包括：

1. 串行型数模转换器：将连续的数字位流转换为模拟信号。

2. 并行型数模转换器：一次性转换多个并行的数字信号为模拟信号。

3. 数模模块（DAC模块）：集成了数模转换功能的独立模块，通常用于嵌入式系统或数字系统中。

数模转换器的性能通常由以下几个关键参数来描述：

1. 分辨率：表示DAC能够分辨的最小数字信号变化的能力。

2. 采样率：指每秒钟将多少个数字信号转换为模拟信号，常用赫兹（Hz）来表示。

3. 精度：表示DAC输出的模拟信号与原始数字信号之间的误差。

4. 输出范围：指DAC能够输出的模拟信号的幅度范围。

数模转换器工作原理

数字量按照数字的组合用代码来表示，每个代码都有一定的比特权重。为了将数字量转换为模拟量，必须将每个1位代码根据其位重的大小转换为相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，得到与数字量。这样就实现了数模转换。这是构成D/A转换器的基本指导思想。

它基本上由重量电阻网络、运算放大器、参考电源和模拟开关组成。数字量以串行或并行的方式输入并存储在数字寄存器中。数字寄存器输出的数字分别控制相应位的模拟电子开关，使数字为1的位在位权网络上产生与其权重成正比的电流。然后求和电路将各种权重相加，得到与数字量相对应的模拟量。

数模转换器基本电路

道合顺演示的#数模转换器电路#有两种类型：T型电阻网络和 倒T型电阻网络。

T型电阻网络

图1显示了带有T型电阻网络的4位D/A转换器的原理图。图中的电阻译码网络是由两个不同阻值的电阻R和2R组成的T型电阻网络，运算放大器构成电压跟随器。图中省略了数据锁存器。 、电子开关S3和S2、S1、S0受二进制数D相应位的控制或接参考电压VR(相应位为1)或接地(相应位为0)。当电子开关S3、S2、S1、S0均接地时，从a、b、c、d任意节点向左下看去的等效电阻等于R。

接下来，利用叠加原理和戴维南定理求出转换器的输出U0。

D0单独作用时，T型电阻网络如图2(a)所示。 a点左下相当于戴维南电源，如图2(b)所示；则左下b、c、d点电路分别等效于戴维南电源，如图9-图2中的(c)、(d)、(e)所示。由于输入电阻电压跟随器的电压很大，远大于R，当D0单独作用时，d点电位几乎是戴维宁电源的开路电压D0VR/16。此时转换器的输出为：

当D1单独作用时，T型电阻网络如图3(a)所示，左下d点电路的戴维南等效如图3(b)所示。同样，D2单独作用时左下电路d点戴维南等效电源如图3(c)所示；当D3单独作用时，左下电路d点戴维宁等效电源如图9-5(d)所示。因此，D1、D2、D3单独作用时转换器的输出为：

利用叠加原理，可以得到变换器的总输出为：

可以看出，输出模拟电压与数字输入成正比。推广到 n 位，D/A 转换器的输出为：

由于T型电阻网络仅使用R和2R电阻，其精度易于提高，也易于制造集成电路。但T型电阻网络也存在以下缺点： 在工作过程中，T型网络相当于一条传输线。从电阻开始产生到运放输入端建立稳定的电流和电压需要一定的传输时间。当输入数字信号位数较多时，会影响D/A转换器的工作速度。另外，作为变换器参考电压VR的负载电阻的电阻网络会随着二进制数D的差异而波动，从而影响参考电压的稳定性。所以在实际应用中，常用的有以下几种反相T型D/A转换器。

倒T型电阻网络

图4是倒T型电阻网络D/A转换器的原理图。由于P点接地，N点为虚地，因此无论D0、D1、D2、D3为0还是1，电子开关S0、S1、S2、S3都相当于接地。因此，图4中支路电流I0、I1、I2、I3和IR的大小不会因二进制数的差异而改变。并且，从任意节点a、b、c、d向左上方看去的等效电阻等于R，因此流出VR的总电流为：

流入各2R支路的电流如下：

流入运算放大器反相端的电流为：

运算放大器的输出电压为：

若将Rf=R、IR=VR/R代入上式，则：

可以看出，输出模拟电压与数字输入成正比。推广到 n 位，D/A 转换器的输出为：

倒T型电阻网络也只使用R和2R两个电阻，但与T型电阻网络相比，由于各支路的电流始终存在且恒定，因此各支路的电流反向至OP-放大器。相位输入处没有传输时间，因此具有较高的转换速度。

数模转换器的应用

数模转换器（DAC）在各种领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：

1. 音频设备：数模转换器用于将数字音频信号转换为模拟音频信号，以驱动扬声器、耳机或其他音频设备。例如，数字音频播放器、数字音频接口、数字音频调音台等都需要DAC来输出模拟音频信号。

2. 通信系统：在通信系统中，数字信号需要转换为模拟信号以进行传输。DAC用于数字信号到模拟信号的转换，从而实现音频、视频和数据的传输。手机、调制解调器、无线局域网（Wi-Fi）设备等都使用DAC来转换数字信号。

3. 控制系统：许多控制系统需要模拟信号来控制电机、执行器或其他设备。DAC可以将数字控制信号转换为模拟控制信号，用于控制温度、压力、速度等参数。自动化系统、机器人控制系统以及工业控制系统都使用DAC来实现数字到模拟的转换。

4. 测试与测量：在测试和测量领域，DAC用于生成模拟信号以进行各种类型的测试和测量。例如，信号发生器、示波器、数字多用途测试仪等设备都可能使用DAC来生成测试信号。

5. 医疗设备：医疗设备通常需要数字信号转换为模拟信号来控制和监测各种参数。例如，心电图机、血压监测仪、呼吸机等医疗设备中常使用DAC。

6. 传感器接口：许多传感器输出的信号是模拟信号，需要转换为数字信号进行处理和分析。ADC（模数转换器）用于将模拟信号转换为数字信号，而DAC则用于将处理后的数字信号重新转换为模拟信号，以供后续处理或输出。

7. 视频设备：数字视频设备需要将数字视频信号转换为模拟视频信号以供显示器或监视器显示。DAC在数字电视、摄像机、数字视频录像机等设备中扮演着重要角色。