数模转换器（DAC）原理与应用详解
数模转换器（DAC）原理与应用详解
数模转换器（DAC）是将数字信号转换为模拟信号的关键组件，在电子工程和信号处理领域有着广泛的应用。本文将详细介绍DAC的基本原理、不同类型DAC的结构、关键技术和参数，以及实际应用。
DAC基本原理
数模转换器（Digital to Analog Converter，简称DAC或D/A转换器）是一种能把数字信号转换为模拟信号的电路。其基本工作原理是通过控制数字量来实现不同的电压输出。具体来说，输出电压VO可以通过以下公式计算：
VO＝IRf=-Rf(i3+i2+i1+i0)
其中，基准电压VREF决定了电流的绝对大小，而数字量则决定了电流的相对大小，两者共同影响最终的电压输出。
倒T形电阻网络D/A转换器
倒T形电阻网络D/A转换器是最常见的DAC结构之一。当Rf＝R，VREF=10V时，不同数字量对应的输出电压值如下：
例如，可以计算出0000、0011、0111、1111等数字量对应的电压值。
权电流型D/A转换器
在实际应用中，倒T形电阻网络D/A转换器中的模拟开关存在导通电阻和导通电压，这会引起求和电流的误差，从而影响D/A转换器的转换精度。为了解决这个问题，可以采用权电流型D/A转换器。这种结构本质上与倒T形电阻网络D/A转换器相同，只是将由VREF及内部电阻输出的电流变为了固定恒流源，从而避免了内阻的影响。
重要技术指标与参数
1. 分辨率/位数
n位的D/A转换器输出模拟量最多有2^n个不同值。例如，8位D/A转换器的输出电压可分离等级为2^8＝256个。分辨率计算公式为：
分辨率：1/(2^n-1)*VREF
例如，STM32单片机的12位DAC、3.3V VREF，其分辨率为0.0008V。如果要输出2V，其最终只能输出1.9993V或者2.0001V左右。
2. 转换精度
（1）比例系数误差
比例系数误差是指实际转换特性曲线的斜率与理想特性曲线斜率的偏差。前文提到，最终输出电压由VREF和数字量决定，数字量基本不会出错，如果VREF波动，就会影响最终输出的电压。
（2）失调误差
失调误差为模拟量的实际起始数值与理想起始数值之差。前文可以看到D/A的内部结构几乎都有运算放大器，而由运算放大器的零点漂移会使得输出电压转移曲线平移。
3. 转换速度
当D/A转换器输入的数字量发生变化时，输出的模拟量并不能立即达到所对应的最值，它要延迟一段时间。通常我们用建立时间和转换速率两个参数来描述D/A转换器的转换速度。
- 建立时间：指输入数字量变化时，输出电压达到规定误差范围所需的时间。一般用当D/A转换器输入的数字量N，从全0变为全1时，输出电压达到规定的误差范围（±LSB /2）时所需时间表示。
- 转换速率：指大信号工作状态下，模拟输出电压的最大变化率。通常以V/µs为单位表示。该参数与运放的摆率SR类似。
4. 温度系数
这是指在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1°C，输出电压变化的百分数作为温度系数。
DAC的应用
1. 数字式可编程增益放大电路
有时候需要单片机或者数字控制器实时控制并知晓电路增益，因此例如AD7533，可以实现VI输入，调控VO输出。
2. 脉冲波产生电路
3. 经典应用
DAC可以输出正弦、方波、三角波等波形。只需要在代码中的数组提前进行信号波形的采样，然后循环输出即可。