1 模数转换器和数模转换器概述

转换器可以分为模数转换器和数模转换器。

1.1 模数转换器

将模拟量转换成数字量的器件，称为模数转换器（简称A/D转换器或ADC，全称Analog to Digital Converter）。

1.1.1 A/D模数转换过程

• 采样：在某些特定的时刻对这种模拟信号进行测量叫做采样；

• 保持：要把一个采样输出信号数字化，需要将采样输出所得的瞬时模拟信号保持一段时间；

• 量化：将保持的抽样信号转换成离散的数字信号；

• 编码：是将量化后的信号编码成二进制代码。

1.1.2 工作原理

基于采样理论、电荷转移技术和数字逻辑运算等方面。当输入的模拟信号经过采样保持电路生成一个瞬时电压，此时该瞬时电压被传输到量化电路并与参考电压比较，从而得到其所属量化区间，并输出对应数字信号。由于每个量化区间宽度相等，因此模数转换器能够将模拟信号以高精度和高速率转换为数字信号。

1.1.3 应用领域

模数转换器广泛应用于各种电子系统中，如数据采集系统、仪表及控制系统、通信系统等领域。在这些领域中，模数转换器常用于测量和处理各种模拟信号，如温度、压力、位移、光照强度、声音等。由于其精度高、反应速度快等优点，模数转换器已经成为数字电子系统中不可或缺的重要组成部分。

1.2 数模转换器

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，全称Digital to Analog Converter）。

1.2.1 工作原理

数模转换器是将数字信号转换为模拟信号的系统，一般用低通滤波即可以实现。数字信号先进行解码，即把数字码转换成与之对应的电平，形成阶梯状信号，然后进行低通滤波。由采样定理，采样信号的频谱经理想低通滤波便得到原来模拟信号的频谱。

1.2.2  应用领域

数模转换器的作用就是把数字信号转换成模拟信号，比如电脑控制交通灯、测温系统、时钟显示、电脑灯、电子乐器等等。 数模转换器除了在微机系统中将数字量转化为模拟量典型应用之外，还常用于波形生成、各种数字式的可编程应用。 比如：1.波形发生器；2.数控直流稳压；3.数字式可编程增益控制电路。

2 模数转换器和数模转换器的分类

2.1 模数转换器分类

模数转换器可以分为电容阵列逐次比较型和压频变换型（如AD650）。

2.1.1 电容阵列逐次比较型

在内置D/A转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列D/A转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精度单片A/D转换器。最近的逐次比较型A/D转换器大多为电容阵列式的。

2.1.2 压频变换型

压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种A/D的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换。

2.2 数模转换器分类

数模转换器可以分为电压输出型（如TLC5620）和乘算型（如AD7533）。

2.2.1 电压输出型

电压输出型D/A转换器：虽有直接从电阻阵列输出电压的，但一般采用内置输出放大器以低阻抗输出。直接输出电压的器件仅用于高阻抗负载，由于无输出放大器部分的延迟，故常作为高速DA转换器使用。

2.2.2 乘算型

D/A转换器中有使用恒定基准电压的，也有在基准电压输入上加交流信号的，后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而输出，因而称为乘算型DA转换器。乘算型D/A转换器一般不仅可以进行乘法运算，而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输入信号进行调制的调制器使用。

3 模数转换器的主要性能指标

A/D转换器的主要性能指标：

• 分辨率

• 转换速率

• 量化误差

• 偏移误差

• 满刻度误差

• 线性度

                                                   图1-20   分辨率

分辨率：指数字信号变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与 2n的比。分辨率又称精度，通常用数字信号的位数表示。

转换速率：指完成一次 模数转换所用时间的倒数。双积分型模数转换所用时间为毫秒级，逐次比较型模数转换所用时间为微秒级，并行或串并行型模数转换所用时间为纳秒级。采样时间指两次转换的间隔。为了保证转换正确完成，采样速率必须小于等于转换速率。

量化误差：指对模拟信号进行量化而产生的误差，该误差最大可达量化等级的一半。

偏移误差：指当输入信号为零时，输出信号不为零的值。该误差可用外接电位器调至最小。

满刻度误差：指当满刻度输出时，对应的输入信号与理想输入信号值的差。

线性度：指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括上述 3 种误差。

4 模拟量转换为数字量举例

A/D转换电路中，模拟量UA经模数转换后的数字量A/D计算过程如下所示:

                             图1-21   数字量A/D计算过程

式中，n为模数转换的精度位数，VDD为转换电路的供电电压。如传感器实验模块中精度为8位、供电电压为3.3V 。