5．5 D／A转换电路
数／模（D／A）转换电路（DAC）是一种把数字量转换成模拟量（电压或电流）的电子电路。DAC的种类很多：按输出模拟量与输入数字量之间的函数关系可分为线性DAC和非线性DAC；按数字输入方式可分为并行DAC和串行DAC；按D／A转换过程可分为直接DAC（数字量直接转换为模拟量）和间接DAC（数字量先转换成中间量如脉宽或频率后再转换成模拟量）等。应用最广的是线性并行直接DAC。
1）线性并行直接DAC
常见的线性并行直接DAC有权电阻网络DAC、R－2R梯形电阻网络DAC和等电阻分压网络DAC等。权电阻网络DAC是其中最简单的一种，其工作原理如图5．45所示。图中权电阻网络由n个权电阻（每个阻值依次为21 R，22 R，…，2nR）和n个双向模拟开关组成。每个双向模拟开关的状态受输入数字信号各位电平的控制，把各位权电阻2iR从基准电源电压VR端连通到地端或连通到运放A的反相输入端（当第i位数码di＝1时，权电阻2i R吸接反相输入端，否则接地端）。
图5．45 权电阻网络DAC工作原理
第i个权电阻2i R吸上流过的权电流为：
若di＝1，权电阻2i R接到运放反相输入端，则根据运放中虚地的理论，Ii全部流过反馈电阻Rf；而若di＝0，则Ii流入地，因此，流过Rf的总电流为：
若Rf＝kR，则运放输出电压Vo为：
可见，输出电压与输入的数字信号成正比，若改变基准电压VR的数值，则D／A转换的量程改变。
由于权电阻网络各位电阻值分布太宽，采用单纯的权电阻网络的集成DAC位数不超过5位。超过5位的DAC多采用多组四位权电阻网络和1／16组间分流器相配接实现。
目前用得较多的线性并行直接DAC是R－2R梯形电阻网络。图5．46是采用这种电路结构的AD7520集成DAC的结构原理及引脚功能。
图5．46 AD7520结构原理与引脚功能
从图5．46看出，R－2R梯形电阻网络与权电阻网络的区别在于，整个网络只有R和2R两种阻值电阻。第i位（图中从B1～B10位）2R支路上流过的权电流与式（5．76）相同，为
流过运放反馈电阻Rf的电流IΣ和运放输出Vo与式（5．77）、式（5．78）也相同。对于AD5720芯片，Rf＝R＝10kΩ，故输出电压Vo可按式（5．78），以k＝1代入得：
通常DAC采用电流输出，在模拟开关不同状态时电流分别从两个引脚AD7520的2脚、1脚）引出，其中一路是数字信号输入位为“1”的支路总电流，另一路是输入位为“0”的支路总电流。为把电流输出转换为电压输出，一般均外置模拟运放，其两个输入端和芯片上两个电流输出端相接。因芯片一般均内置反馈电阻Rf，反馈信号的引入只需将运放的输出端连接芯片上的反馈引入点（图中16脚）即可。
2）集成DAC的技术参数及应用技术
（1）DAC的技术参数
①绝对精度。指对应于给定的满刻度数字量，DAC实际输出值与理论值之间的误差。该误差是由DAC的增益误差、零点误差、线性误差和噪声引起，一般应低于1／2LSB（最低有效位）或2－（n＋1）倍满刻度模拟量值（n为DAC的位数）。
②相对精度。指满刻度已校准情况下，在整个刻度范围内，对应于任一数码的模拟量输出和它的理论值间的最大偏差相对于满刻度值的百分数。对于线性DAC，相对精度就是其非线性度。用LSB的位数表示，或用相对于满刻度的%表示。
③分辨率。指转换器的满刻度电压与2n之比值，反映了输出模拟电压的最小变化量。例如，具有12位分辨率的DAC能够分辨出1／212的模拟量输出，即0．024倍的满刻度模拟量值。
④建立时间（转换时间）。指在满刻度D／A转换时，输出误差达到理论稳态值的±12－（n＋1）倍（或达到±1／2LSB误差范围）时所需的时间。这是DAC的一个重要动态参数，一般具有高分辨率（位数大）的DAC，由于误差范围相对较窄，故其实际稳态值到达此范围的时间也较长。比如一个8位DAC典型的建立时间为1μs，而16位DAC需50μs。如果输出形式是电流，其DAC的建立时间很短，而输出形式是电压时，DAC的建立时间决定于运放所需的时间，所以较长。
⑤温度系数。在规定范围内，相应于每变化1℃时，增益、线性度、零点（对双极性DAC）及偏移等参数的变化量，分别是增益温度系数、线性度温度系数、零点温度系数、偏移温度系数等，这些温度系数直接影响转换精度。
在使用DAC时必须根据转换精度、使用环境、被测信号的变化速率等情况正确选用。表5．4列出了几种DAC集成芯片的特性。
表5．4 几种DAC集成芯片的特性
（2）DAC的应用技术
D／A芯片与CPU的接口电路按D／A芯片内部是否设置有数字输入锁存器，分为直接与CPU数据总线相连和通过I／O口（或锁存器）与CPU的数据总线相连两种方式。带有锁存器的DAC同时起零阶保持器的作用。
①不带数字输入锁存器的D／A芯片的接法
早期的集成D／A芯片只包含图5．46所示粗实线内的DAC网络，只具有从数字量输入到模拟电流输出功能的转换。这类D／A芯片应用时需外加数字输入锁存器、参考电压源以及电流／电压转换器（或模拟输出放大器）。如果不外加数字输入锁存器，这类D／A芯片只能与有数字输出锁存功能的I／O口相连。另外，因片内无反馈电阻，故反馈回路及其反馈电阻只好外置。图5．47为DAC0800与单片机8031芯片的连接图，因8031平行I／O口，（P1口）内带有锁存器，故DAC0800可与其P1口连接。图中LH0070为＋5V稳压块，用于给DAC0800提供参考电压
，DAC的输出端采用是双极性接法，当数字输入为00H时，输出电压为－10V；数字输入为FFH时，输出电压为＋10V。若需得到单极性输出，可将DAC0800的
脚接地。
DAC0800系列为16线双列直插式封装，其中VLC为门限电平调节端，I0、I0分别为反相、同相电流输出端，B1～B8为数字信号输入端，V＋、V－为正负电源端，
为正、负基准电压输入端，COMP为补偿端。DAC0800系列包括DAC0800，0801、0802等产品，它们可互换。
除了DAC0800系列外，不带数字输入锁存器的D／A芯片还有AD公司的AD2520、AD7530和DAC1020系列，可彼此代换；还有DAC1220系列（1220、1221、1222等）可以与AD公司的AD7521、AD7531（1020、1021等）芯片代换。
图5．47 DAC0800与8031P1口连接电路
②带数字输入锁存器的D／A芯片与CPU的接法
该类芯片内部具有数字输入锁存（输入锁存器）电路，故能与CPU数据总线直接相连，还带有数据寄存器（DAC寄存器）及D／A转换控制端，CPU可直接控制数字量的输入和转换。DAC0830即属于此类芯片，其与单片机8031系统的接口电路如图5．48所示。
图5．48 DAC0830与8031系统接口电路
在集成D／A芯片中，属于此类带数字输入锁存器的芯片系列有0830、0831、0832（以上8位）、1208、1209、1210、1230、1231、1232（以上12位）；AD系列有AD7522（10位）、AD7543（12位）、AD7535（14位）、AD2528（双8位）等。
此外，尚有带锁存器、模拟输出放大器及内部参考电压源的功能完整的DAC电路芯片，其功能如图5．49所示，这类芯片如DAC0832（8位）、DAC811（12位）、AD558（8位）、AD1147、AD1148（16位）等。由于带参考电压源和输出放大器，芯片的工作电源多使用双极性电源。
图5．49 完整功能的DAC电路
③单极性输出和双极性输出问题
由图5．45所示的权电阻网络或图5．46所示的R－2R梯形电阻网络构成的DAC网络，经运放和变换后的输出电压的大小完全由数码位d1～dn决定，但输出电压的极性决定于基准电压VR的正负，而与输入数据无关。基准电压VR的正负确定后，输出电压的极性也就固定不变了。因此，这种DAC称之为单极性DAC。一般集成D／A芯片内部已集成了电流／电压转换放大器所用的反馈电阻Rf，其单极性输出接法如图5．46所示，输出电压Vo按式（5．78）计算，Rf＝R时为：
数字输入为全“0”时，输出电压为0V；输入为全“1”时，输出满度电压。当VR＝5V，n＝8（8位DAC时，满度输出电压为－4．98V）。
要使DAC输出电压既能为正又能为负，则应采用双极性集成DAC，或者将单极性DAC改装成双极性DAC。图5．50为DAC0832改装成双极性输出的接法，它采用偏移二进制码电路实现，此码比其他双极性码（原码、补码、反码等）电路容易实现。
图5．50 DAC0832双极性输出接线
从图5．50（a）可知，在采用偏移二进制码的情况下，只要将单极性DAC输出电压VΣ减去（或称偏移）E／2（E为DAC的满度输出电压），就构成双极性DAC，故此时的输出电压Vo为：
在d1～dn为全“0”时，
在d1～dn为全“1”时，
在d1～dn＝100…0时，
即
变化，实现了双极输出。
从图5．50（b）可知，g点为虚地，
Vo为A1的输出电压。
当满足R2＝2R1时，
因运放A1为单极性接法，故有：
因此，
比较式（5．82）和式（5．83）：
此时
，若取VR＝5V、R3＝R1，则Vo＝－2．5V～2．48V，实现了双极性输出。
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