u D/A转换器的基本指导思想
数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的权。为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得与数字量成正比的模拟量，从而实现了数字—模拟转换。
n位D/A转换器的方框图如图7.2所示。
图7.2 n位D/A转换器方框图
u D/A转换器组成
数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压几部分。
数字量以串行或并行方式输入并存储于数码寄存器中，寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关将在电阻解码网络中获得的相应数字权值送入求和电路。求和电路将各权值相加便得到与数字量对应的模拟量。
u D/A转换器分类
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按解码网络结构不同
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T型电阻网络D/A转换器 |
| 倒T型电阻网络D/A转换器 | ||
| 权电流D/A转换器 | ||
| 权电阻网络D/A转换器 |
CMOS开关型D/A转换器（速度要求不高）
| 按模拟电子开关电路的不同 |
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CMOS开关型D/A转换器（速度要求不高) | ||
| 双极型开关D/A转换器 |
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电流开关型（速度要求较高） | ||
| ECL电流开关型（转换速度更高） | ||||
一、权电阻网络D/A转换器
在第一章中已经讲过，一个多位二进制数中每一位的1所代表的数值大小称为这一位的权。如果一个n位二进制数用 
表示，则最高位（MSB）到最低位（LSB）的权依次为 
。
1.电路结构及原理
下图是4位权电阻网络D/A转换器的原理图，它由权电阻网络、4个模拟开关和1个求和放大器组成。
图7.3 权电阻网络D/A转换器
S0--S3为模拟开关，它们的状态分别受输入代码 
的取值控制， 
时开关接参考电压VREF 上，此时有支路电流 
流向求和放大器； 
时开关接地，此时支路电流为零。
求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器。为了简化分析计算，可以把运算放大器近似地看成理想放大器——即它的开环放大倍数为无穷大，输入电流为零（输入电阻为无穷大），输出电阻为零。当同相输入端 
的电位高于反相输入端 
的电位时，输入端对地电压 
为正；当 
高于 
时， 
为负。
当参考电压经电阻网络加到 
时，只要 
稍高于 
时，便在 
产生很负的输出电压。 
经 
反馈到 
端使 
降低，其结果必然使 
。
在认为运算放大器输入电流为零的条件下可以得到
由于 
，因而各支路电流分别为
（ 
时 
， 
时 
）
将它们代入输出 
中并取 
，则得到
对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取为 
时，输出电压的计算公式可写成
上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量 
，从而实现了从数字量到模拟量的转换。当 
时 
；当 
时 
，所以 
的最大变化范围是 
。从上面的分析计算可以看到，在 
为正电压时输出电压 
始终为负值。要想得到正的输出电压，可以将 
取为负值。
2.电路优缺点
优点：结构比较简单，所用的电阻元件数很少。
缺点：各个电阻阻值相处较大，尤其在输入信号的位数较多时，这个问题更加突出。要想在极为宽广的阻值范围内保证每个电阻都有很高的精度是十分困难的，尤其对制作集成电路更加不利。为了克服这个缺点，可以采用双级权电阻网络（有兴趣可查阅参考资料）。或者采取其他形式D/A转换器。
二、倒T形电阻网络D/A转换器
在单片集成D/A转换器中，使用最多的是倒T形电阻网络D/A转换器。常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有AD7520(10位)、DAC1210(12位)及AK7546(16位高精度)等。下面以4位D/A转换器为例说明其工作原理。
1.电路结构及原理
4位倒T形电阻网络D/A转换器的原理图如7.4所示。图中S0—S3为模拟开关，R-2R
图7.4 倒T形电阻网络D/A转换器
电路解码网络呈倒T形，运算放大器A组成求和电路。模拟开关Si由输入数码Di控制，当Di=1时，Si接运算放大器反相端，电流Ii流入求和电路；当Di=0时，Si则将电阻2R接地。根据运算放大器线性运用时虚地的概念可知，无论模拟开关Si处于何种位置，与Si相连的2R电阻均将连“地”（地或虚地）。这样，流经2R电阻的电流与开关位置无关，为确定值。分析R-2R电阻网络可以发现，从每个节点向左看的二端网络等效电阻均为R，流入每个2R电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。设由基准电压源提供的总电流为I(I=VREF/R)，则流入各开关支路（从右到左）的电流分别为I/2、I/4、I/8和I/16。
于是可得总电流
iå=VREF/R(D0/24+D1/23+D2/22+D3/21)=VREF/(24 ´R)å(Di·2i)
输出电压
将输入数字量扩展到n位，可得到n位倒T形电阻网络D/A转换器输出模拟量与输入数字量之间的一般关系式
若将式中 
用K表示，中括号内的n位二进制数用NB 表示，则将上式改写为
该式表明，对于在图7.4电路中输入的每一个二进制数NB,均能在其输出端得到与之成正比的模拟电压vo。
通过以上分析看到，要是D/A转换器具有较高的精度，对电路中的参数有以下要求：
² 基准电压稳定性好；
² 倒T形电阻网络中R和2R电阻比值的精度要高；
² 每个模拟开关的开关电压降要相等。为实现电流从高位到低位按2的整数倍递减，模拟开关的通电阻也相应地按2的整数倍递增。
2.电路优点
由于在倒T形电阻网络D/A转换器中，各支路电流直接流入运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差。电路的这一特点不仅提高了转换速度而且也减小了动态过程中输出端可能出现的尖脉冲。它是目前广泛使用的D/A转换器速度较快的一种。
三、权电流型D/A转换器
尽管倒T形电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度，但由于电路中存在模拟开关电压降，当流过各支路的电流稍有变化时，就会产生转换误差。为进一步提高D/A转换器的精度，可采用权电流型D/A转换器。单片集成权电流D/A转换器有AD1408、DAC0806、DAC0808等。
1.电路结构及原理
4位权电流型D/A转换器原理电路图如7.5所示。电路中用一组恒流电源代替了图7.4中倒T形网络。这组恒流源从高位到低位电流的大小依次为I/2，I/4，I/8，I/16。
图7.5 权电流D/A转换器的原理电路
在图7.5所示电路中，当输入数字量的某一位代码Di=1时，开关Si接运算放大器的反向端，相应权电流流入求和电路；当Di=0时，开关Si接地。分析该电路，可得出
采用了恒流源电路后，各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和压降的影响，这就降低了对开关电路的要求，提高了转换精度。
如将图7.5中所示恒流源采用具有电流反馈的BJT恒流源电路，即可得如图7.6所示的实际的权电流D/A转换器电路。
图7.6 实际的权电流D/A转换器电路
为消除因各BJT发射结电压VBE的不一致性对D/A转换精度的影响，图中T3~T0均采用了多发射极晶体管，其发射级个数分别是8，4，2，1，即T3~T0发射极面积之比为8：4：2：1。这样，在各BJT电流比值为8：4：2：1的情况下，T3~T0的发射极电流密度相等，可使各发射节电压VBE相同。由于T3~T0的基极电压相同，所以它们的发射e3、e2、e1、 e0就为等电位点。在计算各支路电流时将它们等效连接后可看出电路中的倒T形电阻与图7.4中工作状态完全相同，流入每个2R电阻的电流从高位到低位依次减少1/2，各支路电流分配比例满足8：4：2：1的要求。
基准电流IREF产生电路由运算放大器A2、R1、Tr、R和-VEE组成，A2和R1、Tr的cb结组成电压并联负反馈电路，以稳定输出电压，即Tr的基极电压。Tr的be结，电阻R到-VEE
为反馈电路负载，由于电路处于深度负反馈，根据虚短的原理，其基准电流为IREF=VREF/R1=2IE3
由倒T形电阻网络分析可知，IE3=I/2,IE2=I/4,IE1=I/8,IE0=1/16,于是可得输出电压为vo=iåRf= 
(D3·23+D2·22+D1·21+D0·20)
可推得n位倒T形权电流D/A转换器的输出电压
vo= 
Di·2i
2.电路的优点
从输出电压vo表达式可以看出，基准电流仅与基准电压VREF和电阻R1有关，而与BJT、R、2R电阻无关。这样，电路降低了对BJT参数及R、2R取值的要求，对于集成化十分有利。由于在这种权电流D/A转换器中采用了高速电子开关，电路还具有较高的转换速度。
四、D/A转换器的输出方式
常用的D/A转换器绝大部分是数字电流转换器，输出量是电流。如要实现电压输出， 在实际应用时还需增加输出电路将电流转换成电压。使用D/A转换器，正确选择和设计输出电路是非常重要的，下面来讨论这方面的内容。
在前面介绍的D/A转换器中，输入的数字均视为正数，即二进制数的所有位都为数值位。根据电路形式或参考电压的极性不同，输出电压或为0V到正满度值，或为0V到负满度值，D/A转换器处于单极性输出方式。采用单极性输出方式时，数字输入量采用自然二进制码，8位D/A转换器单极性输出时，输入数字量与输出模拟量之间的关系如表1所示。
表1、8位D/A转换器在单极性输出时的输入/输出关系 
倒T形电阻网络D/A转换器单极性电压输出的电路如图7.7所示。其中图a为单极性反相电压输出电路，vo=-iåDf ；图b为同相电压输出电路，vo=iåR(1+R2/R1)。
图7.7(a) D/A转换器反相输出 图7.7(b) D/A转换器同相输出
在实际应用中，D/A转换器输入的数字量有正极性也有负极性。这就要求D/A转换器能将不同极性的数字量对应转换为正、负极性的模拟电压，工作于双极性方式。
双极性D/A转换常用的编码有：2的补码、偏移二进制码及符号—数值码（符号位加数值码）等。表2列出了8位2的补码、偏移二进制码及模拟量之间的对应关系。
表2、 常用双极性及输出模拟量
*表中 
由表2可见，偏移二进制码与与无符号二进制形式相同，它实际上是将二进制码对应的模拟量的零值偏移至80H，使偏移后的数中，只有大于128的才是正数，而小于128的则为负数。所以，若将单极性8位D/A转换器的输出电压减去VREF/2(80H所对应的模拟量），就可得到极性正确的偏移二进制码输出电压。
若D/A转换器输入数字量是2的补码，那么，需先将它转换为偏移二进制码，然后输入到上述D/A转换器电路中就可实现其双极性输出。比较表2中2的补码与偏移二进制码可以发现，若将8位2的补码加80H，并舍弃进位就可得偏移二进制码。实现2的补码加80H很简单，只需将高位求反即可。这样，可得到采用2的补码输入的8位双极性输出D/A转换器电路如图7.8所示。
图7.8 双极性输出D/A转换器
图中，输入NB是原码的2的补码，最高位取反（加80H）变为偏移二进制码后进入D/A转换器，由D/A转换器输出的模拟量v1经A2组成的第二个求和放大器减去VREF/2后，得到极性正确的输出电压vo,即
电路输入2的补码NB满足表2所示的对应关系。
五、D/A转换器的主要技术指标
D/A转换器的主要技术指标有转换精度、转换速度和温度特性等。
1. 转换精度
D/A转换器的转换精度通常用分辨率和转换误差来描述。
分辨率用于表征D/A转换器对输出微小量变化敏感程度的。其定义为D/A转换器模拟输出电压可能被分离的等级数。输入数字量位数越多，输出电压可分离的等级越多，即分辨率愈高。所以在实际应用中，往往用输入数字量的位数表示D/A转换器的分辨率。n位D/A转换器的分辨率可表示为 
。它表示D/A转换器在理论上可以达到的精度。
由于D/A转换器中各元件参数值存在误差，基准电压不稳定和运算放大器的零漂等各种因素的影响，使得D/A转换器实际精度还与一些转换误差有关，如比例系数误差、失调误差和非线性误差等。
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。如在n位倒T形电阻网络D/A转换器中，当VREF偏离标准值DVREF时，就会在输出端产生误差电压Dvo。由D/A转换器输出模拟量与输入数字量之间的一般关系式可知
Dvo= 
Di· 2i
由DVREF引起的误差属于比例系数误差。3位D/A转换器的比例系数误差如图7.9所示。失调误差由运算放大器的零点漂移引起，其大小与输入数字量无关，该误差使输出电压
的转移特性曲线发生平移，3位D/A转换器的失调误差如图7.10所示。
非线性误差是一种没有一定变化规律的误差，一般用在满刻度范围内，偏离理想的转移特性的最大值来表示。引起非线性误差的原因较多，如电路中的各模拟开关不仅存在不同的导通电压和导通电阻，而且每个开关处于不同位置（接地或接VREF)时，其开关压降和电阻也不一定相等。又如，在电阻网络中，每个支路上电阻误差不相同，不同位置上的电阻的误差对输出电压的影响也不相同等，这些都会导致非线性误差。
综上所述，为获得高精度的D/A转换器，不仅应该选择位数较多的高分辨率的D/A转换器，而且还需要选用高稳定度的VREF和低零漂的运算放大器等器件与之配合才能达到要求。
图7.9 3位D/A转换器的比例系数误差 图7.10 3位D/A转换器的失调误差
2.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量值，它需要一段时间。通常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，输出电压变化到相应稳定电压值所需时间。一般用D/A转换器输入的数字量NB从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。D/A转换器的建立时间较快，单片集成D/A转换器建立时间最短可达 
以内。
转换速率（SR）用大信号工作状态下，模拟电压的变化率表示。一般集成D/A转换器在不包含外接参考电压源和运算放大器时，转化率比较高。实际应用中，要实现快速D/A转换不仅要求D/A转换器有较高的转换速率，而且还应选用转换速率较高的集成运算放大器与之配合使用才行。
3.温度系数
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 
，输出电压变化的百分数作为温度系数。
六、集成D/A转换器及其应用
单片集成D/A转换器产品的种类繁多，性能指标各异，按其内部电路结构不同一般分为两类：一类集成芯片内部只集成了电阻网络（或恒流源网络）和模拟电子开关，另一类则集成了组成D/A转换器的全部电路。集成D/A转换器AD7520属于前一类，下面以它为例介绍集成D/A转换器结构及其应用。
1.AD7520 D/A转换器
AD7520是10位CMOS电流开关型D/A转换器，其结构简单，通用性好。AD7520芯片
图7.11 AD7520内部电路 图7.12AD7520外引脚图
片内只含有倒T型电阻网络、CMOS电流开关和反馈电阻（R=10KW），该集成D/A转换器在应用时必须外接参考电压源和运算放大器。由AD7520采用内部反馈电阻组成的D/A转换电路如图7.11所示，图中虚线内部分为AD7520内部电路。AD7520芯片外引脚图如7.12图所示。图7.11中每个电子开关的实际电路如图7.13所示。
图7.13 COMS模拟开关
CMOS模拟开关电路由9个MOS管组成的。图中T1~T3组成电平转移电路，使输入信号能与TTL电平兼容。T4、T5及T6 、T7组成两个反相器，分别作为模拟开关T8 、T9的驱动电路，T8、T9构成单刀双掷开关 。
当Di=1 
反相器输出低电平，从而使 
接至运算放大器的反向输入端，权电流流入运算放大器。
当Di=0时， 
低电平使 
截止， 
反向
器输出的高电平使 
导通，这样2R电阻经 
接地。COMS模拟开关导通电阻很大，通过工艺设计可控制其大小并计入电阻网络。该电路具备使用简便，功耗低，转换速度快，温度系数小，通用性强等优点。
2. 集成D/A转换器应用举例
D/A转换器在实际电路中应用很广，它不仅常作为接口电路用于微机系统，而且还可利用其电路结构特征和输入、输出电量之间的关系构成数控电流源、电压源，数字式可编程增益控制电路和波形产生电路等。下面以数字式可编程增益控制电路和波形产生电路为例说明它的应用。
(1)数字式可编程增益控制电路
数字式可编程增益控制电路如图7.14所示。电路中运算放大器接成普通的反相比例放大形式，AD7520内部的反馈电阻R为运算放大器的输入电阻，而由数字量控制的倒T形电阻网络的等效电阻便随之改变。这样，反相比例放大器在其输入电阻一定的情况便可得到不同的增益。
图7.14数字式可编程增益控制电路
根据运算放大器虚地原理，可以得到
所以
如将AD7520芯片中的反馈电阻R作为反相运算放大器的反馈电阻，数控AD7520的倒T形电阻网络连接成运算放大器的输入电阻，不难推断出电路为数字式可编程衰减器。
（2）脉冲波产生电路
由D/A转换器AD7520、10位可逆计数器及加减控制电路组成的波形产生电路如图7.15。
图7.15 AD7520组成的波形产生电路
加/减控制电路与10位二进制可逆计数器配合工作，当计数器加到全“1”时，加/减控制电路复位使计数器进入减法记数状态，而当减到全“0”时，加减控制电路置位，使计数器再次处于加法记数状态，如此周而复始。可得D/A转换器（I）的输出电压为
可以看出， 
是一个近似的三角波。
将这个三角波作为D/A转换器（II）的参考电压，由于两个D/A转换器数字量相同，于是可得第二级D/A转换器输出的模拟电压为
显然，这是一个抛物波。