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一、數模轉換器的作用 真實世界的模擬信號，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，被不斷轉換成更容易儲存、處理和發射的數字形式。但是在很多系統中，數字信息也必須重新轉換成模擬信號來實現一些真實世界的功能。數模轉換器(DAC)就可以做到這一點，而且它們的輸出還可以用來驅動各種設備，例如擴音器、發動機、射頻發射器和溫度控制器等。 DAC一般被放置在數字系統中。在數字系統中，一些真實世界的信號通過模數轉換器(ADC)數字化和處理過后，然后需要重新轉化成模擬信號的系統中。這些系統所要求的DAC性能會受到系統其它組件的性能和要求的影響。 二、基本原理 DAC會產生一個量化(離散階段)模擬輸出來響應一個二進制數字輸入編碼。這個數字輸入可能是TTL、 ECL、CMOS或者LVDS,而模擬輸出則是一個電壓或電流輸出。 為產生輸出，一個參考量(電壓或電流量)被分成二進制段或者線性段。接著，數字輸入會驅動開關，這個開關將一定數量的段連到輸出上。段的數量反映出可能的數字輸入編碼的數量，這是轉換器分辨率的一個功能，或者還可以反映輸入編碼中的位數(N)。有N個位數，可能的編碼數為2N個。 DAC輸出的振幅可以以下方式表示： 模擬輸出=數字輸入編碼/(2N-1)×參考輸入模擬信號是具有無窮分辨率的連續性時域信號。但是，DAC的輸出是一個構建于離散值(量化)的信號，這個離散值的產生也有一個統一但無窮的時間間隔(取樣)。也就是說，DAC輸出試圖展示的是一個具備無窮分辨率和帶寬的模擬信號。 量化和取樣對DAC的性能又一個基本的但可以預料到的限制。量化決定了轉換器的最大動態范圍，并產生量化誤差和噪音。而按照Nyquist標準，取樣則決定著DAC輸出信號的最大帶寬。 在一個最理想的DAC中，模擬信號正好就是一個最低有效位(LSB)部分，而一個LSB是一個分成2N段的滿量程模擬輸出振幅，這里的N是以位數形式表示的DAC分辨率。 但是，DAC在真實世界中的操作也會受到一些非理想效果的影響，而無法達到那些由量化和取樣規定的理想效果。這些誤差以一些交流和直流性能規范為特點，正是這些規范決定著轉換器的靜態和動態性能。 1 偏移誤差 偏移誤差就是DAC的輸出和當增益誤差為零時理想的傳遞函數的輸出之間的偏差。對于所有輸入編碼，偏移誤差都是常數。 2 增益誤差 增益誤差就是轉換器的傳遞函數的斜率與理想的傳遞函數之間的偏差，通過補償到零的偏移誤差來計量。 3 微分非線性度(DNL) 微分非線性度是指一個實際的步尺寸和一個理想的LSB步之間的偏差。DNL誤差會產生超過量化效果范圍之外的額外噪音和毛刺。 4 積分非線性度(INL) 積分非線性度是實際輸出電壓和理想輸出電壓在傳遞函數各端點之間的直線上的誤差。INL是在偏移誤差和增益誤差消除之后才計算出來的。INL誤差會導致額外的諧波和毛刺。 5 單調性 如果一個DAC的輸出隨著數字輸入編碼的增大而增大或者保持不變，那么這個DAC就具有單調性。反之，如果一個DAC的輸出隨著數字編碼的增大而減小，那么這個DAC就具有非單調性。 6 建立時間 建立時間是指模擬輸出響應數字輸入上的一個步驟變更而在限定的誤差范圍內確定一個數值的時間。 7 假信號 假信號是指當轉換器輸入和輸出改變狀態時，從輸入加到輸出上的負荷量。 8 數字饋通 數字饋通是指當DAC沒有啟動時，高頻邏輯信號穿透到轉換器的輸出而產生的輸出噪音。 噪音有多個特征參數，如寄生自由動態量程(SFDR)，總諧波失真(THD)和信噪比(SNR)。另一個參數THD+N則是總諧波失真加噪音與基本振幅的比。 下面幾張圖給出了DAC的幾種架構。 |
