數模轉換器（Digital to Analog Converter,DAC），是一種將數字信號轉換為模擬信號（以電流、電壓或電荷的形式）的設備。在很多數字電路中，信號以數字方式存儲和傳輸，而數字模擬轉換器可以將這樣的信號轉換為模擬信號，從而使得它們能夠被外界（人或其他非數字系統）識別。數模轉換器由輸入寄存器、模擬開關、權電阻網絡、基準電源與運算放大器5個部分組成。
美國科學家伯納德·戈登（Bernard Gordon）是早期數模轉換器的重要貢獻者之一。20世紀70年代初，由于MOS工藝的精度還不夠高，數模轉換器只能采用多芯片方式實現，成本很高。1975年，一個采用 NMOS工藝的10位逐次逼近型數模轉換器成為最早出現的單片數模轉換器。1976年，出現了分辨率為11位的單片CMOS積分型數模轉換器。20世紀80年代，出現了采用BiCMOS工藝制作的單片集成數模轉換器，但是工藝復雜，成本高。隨著CMOS工藝的不斷發展，采用CMOS工藝制作單片數模轉換器已成為主流。20世紀90年代后，便攜式電子產品的普遍應用要求數模轉換器的功耗盡可能地低，轉換精度和速度也在不斷提高。目前，數模轉換器的轉換速度已達到數百MSPS，分辨率已經達到24位。
數模轉換器廣泛應用于生產、生活的多個領域，在電子領域，數模轉換器可以為電源實現精密的數字設定，還可以作為電位器實現對被測參量的控制；在繪圖領域，數模轉換器可以制作成任意波形發生器用來繪制曲線；在影視領域，數字模擬轉換器的常見用法是在音樂播放器中將數字形式存儲的音訊信號輸出為模擬的聲音。有的電視機的顯像也有類似的過程；在通信領域，數模轉換器可以對復雜的調制波進行數字處理。數字模擬轉換器有時會降低原有模擬信號的精度，因此轉換細節常常需要篩選，使得誤差可以忽略。由于成本的考慮以及對于模塊化電子器件的需求，數字模擬轉換器基本上是以集成電路的形式制造。數字模擬轉換器有多重架構，它們各自都有各自的優缺點。在特定的應用中，數字模擬轉換器的選用是否合適，取決于其一系列參數（包括分辨率、線性度、轉換精度、轉換速度等）是否合適。
概述
由于電子信息技術的迅速發展，因數字電路具有抗干擾能力強、保密性好，且能應用電子計算機進行信息的處理和控制等優點，對信號進行數字處理越來越多的應用于電視、雷達、通信、電子計算機、自動控制、電子測量儀、核物理、航天等各控制系統、通信系統和檢測系統中。而實際處理的信號往往是一些模擬量，如聲音、圖像、溫度、壓力等都是屬于連續變化的模擬信號，為了能夠使用數字系統接收、處理和傳輸這些模擬信號，就必須要將這些信號轉換成相應的數字信號方能送入數字系統（如微型計算機）進行處理；經過數字電路處理、分析和傳輸后的信號有時候又要求轉換成相應的模擬量才能便于實際應用。這種在模擬信號和數字信號之間進行的相互轉換就稱為模/數轉換和數/模轉換。
下圖是一個典型的數字通信系統。數字通信系統與模擬通信系統相比有著抗干擾性強、保密性好等優點。在該系統中多路模擬信號經過ADC轉換為數字信號后通過信道傳輸，接收機將收到的數字信號經DAC轉換為模擬信號以供后續操作。
數模轉換器是一種將數字信號轉換為模擬信號的器件。其基本原理是利用電阻網絡，將數字量按每位數碼的權值，轉換成相應的模擬信號，然后用運算放大器求和電路，將這些模擬量相加，從而完成數模轉換。數模轉換器可以根據不同的標準進行分類，如一般類型有脈沖寬度調制數模轉換器、過采樣或插值數模轉換器、二進制加權數模轉換器、R-2R梯形(R-2R Indder)數模轉換器等；按解碼網絡結構分類有T形電阻網絡數模轉換器、倒T形電阻網絡數模轉換器、權電流數模轉換器、權電阻網絡數模轉換器；按模擬電子開關電路分類有CMOS開關型數模轉換器、雙極性開關型數模轉換器、ECL電流開關型數模轉換器。
發展歷史
美國科學家伯納德·戈登（Bernard Gordon）是早期數模轉換器的重要貢獻者之一。20世紀70年代初，由于MOS工藝的精度還不夠高，模擬部分一般采用雙極工藝，數字部分則采用MOS工藝，且模擬部分和數字部分還不能做在同一個芯片上，因此，數模轉換器只能采用多芯片方式實現，成本很高。1975年，一個采用 NMOS工藝的10位逐次逼近型數模轉換器成為最早出現的單片數模轉換器，1976年，出現了分辨率為11位的單片CMOS積分型數模轉換器，此時的單片集成數模轉換器中，數字部分占主體，模擬部分只起次要作用，且MOS工藝相對于雙極工藝還存在許多不足。20世紀80年代，出現了采用BiCMOS工藝制作的單片集成數模轉換器，但是工藝復雜，成本高。隨著CMOS工藝的不斷發展，采用CMOS工藝制作單片數模轉換器已成為主流，這種數模轉換器的成本低、功耗小。20世紀90年代后，便攜式電子產品的普遍應用要求數模轉換器的功耗盡可能地低。數模轉換器功耗已由mW級降到μW級，轉換精度和速度也在不斷提高。目前，數模轉換器的轉換速度已達到數百MSPS，分辨率已經達到24位。
結構
數模轉換器是由數碼鎖存器、電子開關、電阻網絡及求和電路構成。
數模轉換是需要時間的，數碼鎖存器的作用就是把要轉換的輸入數字暫時保存起來，便于完成數模轉換。電子開關有兩擋位置，一擋接基準電壓(VREF)，另一擋接地（0V）。電子開關受數碼鎖存器中的數字控制，當數字為1時，開關接VREF，當數字為0時，開關接地。電阻網絡由不同阻值的電阻構成，電阻的一端跟隨開關的位置分別接VREF或接地。當接VREF時，電阻上有電流，接地時電阻上無電流。求和電路的作用是把電阻網絡中各電阻上的電流匯合起來，再經過一個輸出反饋電阻形成輸出電壓。當輸入的數字量越大，匯合的電流也越大，輸出電壓越高，這樣輸出電壓與輸入的數字成正比例關系，從而實現數字量到模擬量的轉換。
基本原理
工作原理
數模轉換器是將數字量轉換成模擬量的器件，數模轉換器輸出模擬量和輸入的數字量之間的關系可以用下式表示：A=RD，式中A為模擬量輸出電壓（或電流）；R為基準電壓（或電流）；D為輸入的數字量。D一般為小于1的二進制數，用下式表示：。上式中為二進制輸入碼的位系數，它們等于“1”和“0”。
轉換方法
數模轉換的方法基本上有兩類，一類是并行數模轉換，一類是串行數模轉換。并行數模轉換是把一個數字量一次同時解出各位上的字碼，這種轉換方式的速度快，但使用的元件多；串行數模轉換按一定節拍工作，在時鐘脈沖控制下由一個電子開關一位接一位地進行工作，這種轉換速度比并行低得多。采用并行還是串行數模轉換器，主要還看數字量的輸出方式。如果數字量的輸出是并行的即一個n位二進制數通過幾條線同時送出每位上的字碼(高電勢或低電位)，這時用并行轉換為優。如數字量為串行輸出，即由一條線按時鐘控制的節拍逐位送出每個數位上的字碼，則以串行數模轉換為宜。
分類
一般類型
（1）脈沖寬度調制數模轉換器：脈沖寬度調制(Pulse-Width Modulator.PWM)是最簡單的數模轉換器，PWM是將恒定的電流或電壓通過數字信號控制，得到周期相同、脈沖寬度不同的波形，也就是將數字量轉換為不同的占空比，占空比漸變的波形的平均值就形成了連續變化的電壓值，脈沖寬度調制技術常用于電動機的速度調控。
（2）過采樣或插值數模轉換器：使用了過采樣技術(插值技術)，應用在高分辨率(大于16位)的數模轉換器中，具有高線性和低成本的優勢。
（3）二進制加權數模轉換器：這種類型的轉換器的每一位都具有單獨的電子轉換模塊，然后進行求和，電壓或電流求和后輸出。這是速度最快的轉換方法之一，但是它不得不犧牲一定的精確度，因為這必須要求每一位的電壓或電流的精確度都很高。即使能夠滿足上述要求，這樣的設備也很昂貴，因此這類轉換器的分辨率通常限制在8位。
（4）R-2R梯形(R-2R Indder)數模轉換器：是一種阻值為R和2R的電阻反復級聯結構的二進制加權數模轉換器。這樣能夠改善轉換的精確度，然而轉換過程所需的時間相對更長，這是因為每一個R-2R結構連接的更大的RC時間常數。
此外還有逐次逼近數字模擬轉換器，元編碼數字模擬轉換器、混合數字模擬轉換器等。
按解碼網絡結構分類
（1）T形電阻網絡數模轉換器：下圖為四位二進制數的T形電阻網絡數模轉換器的原理圖。電阻網絡里僅用R、2R兩種阻值的電阻，因而克服了權電阻數模轉換器電阻阻值相差過大的缺點，是一種比較實用、使用廣泛的電路。它的輸出端接到反相比例運算放大器的反相輸入端，輸出是模擬電壓u0；UR是基準電壓（參考電壓）；S3~S0是各位的電子模擬開關；d3~d0是輸入數字量，是四位二進制數，它們分別控制相應位的模擬開關。當二進制數碼為1時，控制開關接到基準電壓UR上，為0時則控制開關接地。
（2）倒T形電阻網絡數模轉換器：下圖為四位倒T形電阻網絡數模轉換器的原理圖。它由R、2R構成的倒T形電阻網絡、模擬電子開關S、求和放大器A和基準電壓源UR等部分組成。開關S0~S3分別受數字量d0~d3的控制，當某位二進制數碼為1時，開關接到運算放大器的反相輸入端（虛地），為0時接到運放的同相輸入端（地）。
（3）權電流數模轉換器：下圖為權電流數模轉換器的原理圖。權電流數模轉換器是一種雙極型單片集成數模轉換器，其工作原理與倒T形電阻網絡數模轉換器相似，不同的是，權電流數模轉換器是用一組恒流源來取代T形電阻網絡，從而克服了倒T形電阻數模轉換器中，由模擬開關壓降引起的轉換誤差，因此，大大降低了對模擬開關電路的要求。
（4）權電阻網絡數模轉換器：下圖為權電阻網絡數模轉換器的原理圖。圖中UR為基準電壓，Kn-1~K0為位切換開關，它受二進制各位狀態控制，當某一二進制位為“0”時，對應位的開關接地，為“1”時開關接基準電壓UR，2-(n-1)R~20R為二進制權電阻網絡，它們的阻值與相應的二進制數各位的權相對應，權越大電阻越小，A為運算放大器，其虛地點按二進制數權的大小和各位開關的狀態對電流求和，然后轉換成相應的輸出電壓。
按模擬電子開關電路分類
（1）CMOS開關型數模轉換器：下圖為9位CMOS數模轉換器的原理圖。三個芯片以10V的邏輯電平起開關的功能。一個15V電源為后續放大器和穩壓塊提供正電源，量程調整功能由穩壓輸出控制提供，通常設置為10V。線性穩壓可以在不同電源電壓條件下保證9位精度。系統功耗在70~200mW之間，主要消耗在了負載電阻和運算放大器上。穩壓后的電源可以提供最大440μA的電流，其中370μA用來調整量程。電阻網絡由1%精度的氧化金屬膜電阻組成。電阻之間的匹配精度為2%，后接放大器可以調整消除大約1V的輸出偏移。
（2）雙極性開關型數模轉換器：下圖為雙極性數模轉換器的原理圖。在此電路中采用了8位雙極性數模轉換器DAC08，DAC08只能輸出電流，輸出電壓時要后接電流/電壓變換器U1，74HC573為8位數據鎖存器，在同一時間把數據送入DAC08可以減少因時間差引起的誤差。電流輸入端的穩定時間很短，為85ns，對后級的電流/電壓變換電流的轉換速率要求很高，所以U1采用高運算放大器LM6361N。R2為設定基準電流的電阻，通常滿量程電流為2mA。
（3）ECL電流開關型數模轉換器：ECL電流開關型數模轉換器與上述兩種數模轉換器一樣，都可以實現開關的功能，差異在于開關的狀態轉換速度上，ECL電流開關型數模轉換器轉換速度最高，雙極性開關型數模轉換器居中，CMOS開關型數模轉換器轉換速度最低。
基本參數
分辨率
分辨率是設計的轉換輸出可能值的個數。這也可以通過轉換器使用的位數來表達（等于以2為底數，所有可能輸出值個數的對數）。例如，一個1位的數字模擬轉換器只能產生2種（21）輸出電平值，而8位的數字模擬轉換器則可以產生256種（28）輸出電平值。數字模擬轉換器的分辨率與其達到的有效位（effective number of bits）有關。分辨率直接決定了視頻設備的色彩深度和音頻設備的音頻位深度（audio bit depth）。
最大采樣率
最大采樣率是數字模擬轉換器能夠正常工作并產生正確輸出的最大工作速率。采樣定理定義了采樣率和被采樣信號帶寬的關系。
精度
精度系指數模轉換器的實際輸出值與理論計算輸出值之差。它是數模轉換器各種誤差的總和，包括非線性、零點、增益、溫度漂移等項誤差。數模轉換器的絕對精度通常表示為滿度輸出電壓的百分數。例如一個數模轉換器規定的滿度輸出為10V，而實際輸出只有9.9V，則該數模轉換器有99%的絕對精度或1%的不精確度。也可以說數模轉換器有1%的精度誤差，精度由器件生產廠家給出，通常在±Q/2 (Q為量化電平)范圍內。
建立時間
建立時間是DAC的最大響應時間，用于衡量轉換速度的快慢，指由輸入變化至輸出穩定到最終值的±LSB/2以內的時間，其中 LSB為最低有效位。建立時間與數模轉換器所用元器件有關，特別與一些開關與放大器有關。當數模轉換器的輸入數碼由全0變為全1時,是要求建立時間最長的一種情況。因此，也有將建立時間定義為輸出信號掃描轉換器整個動態范圍所需的時間。目前,像10位或12位單片集成數模轉換器(不包括運算放大器)的轉換時間一般不超1μs。
單調性
轉換器的模擬輸出值只與數字輸入值具有相同方向的變化，例如，當輸入信號增加，其輸出值在生產正確的輸出信號之前絕不會下降。這一性質對于轉換器工作在低頻信號源或作為數字可編程器件時關鍵。
線性度
通常用非線性誤差的大小表示數模轉換器的線性度。產生非線性誤差有兩種原因：各位模擬開關的壓降不一定相等，而且接UR和接地時的壓降也未必相等；各個電阻阻值的偏差不可能做到完全相等，而且不同位置上的電阻阻值的偏差對輸出模擬電壓的影響又不一樣。
電源抑制比
在高質量的數模轉換器中，要求模擬開關電路和運算放大器的電源電壓發生變化時，對輸出電壓的影響非常小。輸出電壓的變化與相對應的電源電壓變化之比，稱為電源抑制比。
輸出電平
不同型號的數模轉換器輸出電平相差較大，一般為5V~10V。
非線性誤差
理想的數模轉換器應是線性的，相鄰兩個數碼之間差為1LSB。非線性誤差定義為實際轉換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分數度量。
溫度系數
在滿刻度輸出的條件下，溫度每升高1℃，輸出變化的百分數定義為溫度系數。
總諧波失真
這個參數描述了數字模擬轉換器信號失真和噪聲情況。它由所需信號中的諧波失真、噪聲功率占總功率的百分比值來表示。它在動態和小信號數字模擬轉換應用中是個重要參數。
動態范圍
動態范圍描述了數字模擬轉換器能夠輸出的最大和最小信號差值，以分貝表示。這個參數還和分辨率和底噪聲（Noise floor）有關。
其他參數還包括相位失真（phase distortion）和抖動，這些參數在某些應用中也十分關鍵，例如無線數據傳輸、復合視頻技術等。
性能指標
靜態性能
頻域性能
應用
視頻領域
在視頻領域，數模轉換器可以將數字視頻信號轉換為模擬信號以在模擬顯示器上顯示。同時，視頻數模轉換器通常與RAM集成形成RAMDAC，用于伽馬校正等。
通信領域
長途電話通話中，聲音經過模數轉換器轉換為數字信號傳輸，再經數模轉換器還原為模擬信號。IP語音通信也使用數模轉換器和模數轉換器進行信號轉換。
音頻領域
在音頻領域，CD播放器、數字音樂播放器、PC聲卡等設備中都有數模轉換器，將數字音頻轉換為模擬信號。高端音響系統中會使用獨立的數模轉換器來提升音質。USB揚聲器和聲卡中也包含DAC。
其他應用
參考資料 >