数模转换器

DAC将抽象的有限精度数(通常是定点二进制数)转换成物理量(例如电压或压力)。具体而言，DAC通常用于将有限精度时间序列数据转换为连续变化的物理信号。

理想的DAC将抽象数字转换成脉冲的概念序列，然后由重构滤波器使用某种形式的插值在脉冲中间填充数据。传统的实用DAC将数字转换成分段常数函数，该函数由一系列矩形函数组成，用零阶保持器进行建模。其他DAC方法(例如基于delta-sigma调制的方法)产生脉冲密度调制输出，该输出可以被类似地滤波以产生平滑变化的信号。

根据奈奎斯特-香农采样定理，只要其带宽满足某些要求(例如，带宽小于奈奎斯特频率的基带信号)，DAC就可以从采样数据中重构原始信号。数字采样会引入量化误差，其表现为重构信号中的低电平噪声。

DAC和ADC是对数字革命做出巨大贡献的使能技术的一部分。举例来说，考虑一个典型的长途电话。呼叫者的声音被麦克风转换成模拟电信号，然后模拟信号被ADC转换成数字流。接着数字流被分成网络包，在网络包中，它可以与其他数字数据一起发送，而不一定是音频。其后在目的地接收数据包，但是每个数据包可能采用完全不同的路径，甚至可能无法按照正确的时间顺序到达目的地。然后，数字语音数据被从分组中提取出来，并被组合成数字数据流。DAC将其转换回模拟电信号，接着驱动音频放大器，进而驱动扬声器，最终产生声音。

2.1 音频

大多数现代音频信号都是以数字形式存储的(例如MP3和光盘)，为了能通过扬声器听到，它们必须转换成模拟信号。因此，在光盘播放器、数字音乐播放器和个人电脑声卡中都需要应用DAC。

高端高保真系统中应用独立DAC。它们通常采用兼容光盘播放器或专用传输设备(基本上是没有内置DAC的光盘播放器)的数字输出，并将信号转换为模拟线路级输出，然后输入放大器以驱动扬声器。

类似的DAC也应用在诸如“USB”的数字扬声器和声卡中。

在基于IP的语音应用中，源必须首先被数字化以便传输，因此它通过模数转换器进行转换，然后使用接收方的DAC重建为模拟信号。

2.2 视频

由于阴极射线管(绝大多数数字视频基础工作都是针对阴极射线管)和人眼的高度非线性响应，视频采样倾向于使用完全不同的尺度，使用“伽马曲线”在显示器的整个动态范围内提供均匀分布亮度步长的外观，因此需要在计算机视频应用中使用具有足够高色彩分辨率的随机存取存储器，这使得很难为每个通道的每个输出电平在数模转换器中设计固定的编码值(例如Atari ST或Sega Genesis将需要24个这样的值；24位视频卡需要768...)。鉴于这种固有的失真，即使电视或视频投影仪可能仅接受8位精度的信号，并且使用仅代表每个频道6或7位的液晶面板，但真实地声称线性对比度(最暗和最亮输出电平之间的差异)为1000:1或更大，相当于10位音频精度，这也并不罕见。

如果要在模拟显示器上显示来自数字源(如计算机)的视频信号，必须将其转换成模拟形式。截至2007年，模拟输入比数字输入更常用，但随着带DVI和/或HDMI连接的平板显示器越来越广泛，这种情况发生了变化。然而，视频DAC包含在任何具有模拟输出的数字视频播放器中。DAC通常与一些存储器(RAM)集成在一起，其中包含伽马校正、对比度和亮度的转换表，从而制成一种称为RAMDAC的器件。

与DAC有远隔关系的一种设备是数控电位计，用于数字化地控制模拟信号。

2.3 机械工程

一个一位的机械执行器运行在两个位置:一个在开启时，另一个在关闭时。几个一位执行器的运动可以与whiffletree机构结合并加权，以产生更精细的步骤。IBM Selectric打字机使用这样一个系统。^[1]

最常见的电子DAC类型有:^[2]

• 一种脉宽调制器，其中稳定的电流或电压被转换成低通模拟滤波器，其持续时间由数字输入码决定。这项技术通常用于电机速度控制和调节发光二极管灯的亮度。
• 过采样DAC或插值DAC(如采用delta-sigma调制的DAC)使用过采样脉冲密度转换技术。delta-sigma DAC可实现每秒100，000个样本以上的采样速度(例如，192千赫)和24位的分辨率。
• 二进制加权DAC，是一个典型的运算放大器，它包含连接到求和点每一位DAC的各个电气元件。求和中的每个输入都有二次幂值，最高有效位的电流或电压最高。这些精确的电压或电流加起来就是正确的输出值。这是最快的转换方法之一，但由于每个单独的电压或电流需要高精度，因此整体精度较差。^[3] 这种转换器通常限于8位或更低的分辨率。
  • 开关电阻DAC包含一个并联电阻网络。网络中的单个电阻根据数字输入被使能或旁路。
  • 开关电流源DAC，根据数字输入选择不同的电流源。
  • 开关电容DAC包含一个并联电容网络。单个电容根据输入与开关连接或断开。
  • R-2R梯形DAC是一种二进制加权DAC，它使用电阻值R和2R的重复级联结构。这提高了精度，因为制造等值匹配电阻相对容易。
• 逐次逼近或循环DAC，^[4] 它在每个周期内连续构建输出。每个周期都会处理数字输入的各个位，直到整个输入都计算在内。
• 温度计编码的DAC，对于DAC输出的每个可能值，包含一个等效的电阻或电流源段。一个8位温度计DAC有255段，一个16位温度计DAC有65，535段。这是一种快速且精度最高的DAC架构，但代价是需要许多元件。实际实现时，需要高密度集成电路工艺来制造生产。^[5]
• 混合DAC，在单个转换器中结合使用上述技术。由于在一个器件中难以获得低成本、高速度和高精度，大多数DAC集成电路都是这种类型。
  • 分段DAC，结合了最高有效位的温度计编码原理和最低有效位的二进制加权原理。这样，精度(通过使用温度计编码原理)和电阻或电流源数量(通过使用二进制加权原理)获得了平衡。全二进制加权设计意味着0%分割，全温度计编码设计意味着100%分割。
• 该列表中显示的大多数DAC依靠恒定的基准电压或电流来产生输出值。或者，乘法DAC采用可变输入电压或电流作为转换参考。^[6] 这给转换电路的带宽带来了额外的设计限制。

DAC对系统性能非常重要。这些设备最重要的特点是:

分辨率

DAC设计用来再现的可能输出电平的数量。这通常表示为它所使用的位数，它是以2为底的对数。例如，1位DAC被设计为再现2 (2 ¹)个电平，而8位DAC被设计为256 (2 ⁸)个电平。分辨率与有效位数有关，有效位数是DAC获得的实际分辨率的量度。分辨率决定视频应用中的颜色深度和音频应用中的音频位深度。

最大采样率

DACs电路能够工作并仍能产生正确输出的最大速度的测量值。如上所述，奈奎斯特-香农采样理论定义了这与采样信号带宽之间的关系。

单调性

DAC的模拟输出移动的能力只能沿数字输入移动的方向(即，如果输入增加，输出不会在正确输出生效之前下降)。)这一特性对于用作低频信号源或数字可编程微调元件的DAC非常重要。

总谐波失真和噪声(总谐波失真+总噪声)

测量由DAC引入信号的失真和噪声。它表示为伴随所需信号的不需要的谐波失真和噪声对总功率的占比。对于动态和小信号DAC应用，这是一个非常重要的DAC特性。

动态范围

我们用分贝来表示数模转换器能够再现的最大和最小信号之间的测量差值。这通常与分辨率和背景噪声有关。 相位失真和抖动等其他测量对于某些应用也非常重要，其中一些应用(例如无线数据传输、复合视频)甚至可能依赖于相位调整信号的精确产生。 线性PCM音频采样通常基于相当于6分贝振幅(音量或精度增加2倍)的每一位分辨率工作。 非线性PCM编码(A-law / μ-law、ADPCM、NICAM)试图通过多种方法来改善它们的有效动态范围——对数化由每个数据位表示的输出信号强度之间的步长(用大信号的更大量化失真来换取更好的静音信号性能)

• 静态性能:
  • 微分非线性(DNL)显示两个相邻代码模拟值偏离理想1 LSB步长的程度。^[7]
  • 积分非线性(INL)显示了DAC传输特性与理想传输特性的偏离程度。也就是说，理想的特征通常是直线；INL显示给定代码值下的实际电压与该线有多大不同，单位为LSB(1 LSB步长)。
  • 增益
  • 偏置
  • 噪声最终受到电阻等无源元件产生的热噪声的限制。对于音频应用和室温，此类噪声通常略小于1 μV(微伏)的白噪声。即使在24位DAC中，这也将性能限制在20~21位以下。
• 频域性能
  • 无杂散动态范围(SFDR)以分贝为单位表示转换后的主信号功率与最大杂散的比值。
  • 信噪比和失真比(SNDR)以分贝表示转换后的主信号功率与噪声与产生的谐波杂散之和的比值。
  • I次谐波失真(HDi)表示转换后的主信号的I次谐波功率。
  • 总谐波失真(THD)是所有HDi功率的总和
  • 如果最大DNL误差小于1 LSB，则数模转换器保证单调性。然而，许多单调转换器的最大DNL值可能大于1 LSB。
• 时域性能:
  • 毛刺脉冲面积(毛刺能量)
  • 响应不确定性
  • 时间非线性(TNL)