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一、數(shù)模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成更容易儲存、處理和發(fā)射的數(shù)字形式。但是在很多系統(tǒng)中，數(shù)字信息也必須重新轉(zhuǎn)換成模擬信號來實現(xiàn)一些真實世界的功能。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)就可以做到這一點，而且它們的輸出還可以用來驅(qū)動各種設(shè)備，例如擴音器、發(fā)動機、射頻發(fā)射器和溫度控制器等。 DAC一般被放置在數(shù)字系統(tǒng)中。在數(shù)字系統(tǒng)中，一些真實世界的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)數(shù)字化和處理過后，然后需要重新轉(zhuǎn)化成模擬信號的系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)所要求的DAC性能會受到系統(tǒng)其它組件的性能和要求的影響。 二、基本原理 DAC會產(chǎn)生一個量化(離散階段)模擬輸出來響應(yīng)一個二進制數(shù)字輸入編碼。這個數(shù)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(chǎn)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(shù)字輸入會驅(qū)動開關(guān)，這個開關(guān)將一定數(shù)量的段連到輸出上。段的數(shù)量反映出可能的數(shù)字輸入編碼的數(shù)量，這是轉(zhuǎn)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(shù)(N)。有N個位數(shù)，可能的編碼數(shù)為2N個。 DAC輸出的振幅可以以下方式表示： 模擬輸出=數(shù)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(xù)性時域信號。但是，DAC的輸出是一個構(gòu)建于離散值(量化)的信號，這個離散值的產(chǎn)生也有一個統(tǒng)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(yù)料到的限制。量化決定了轉(zhuǎn)換器的最大動態(tài)范圍，并產(chǎn)生量化誤差和噪音。而按照Nyquist標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)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(dá)到那些由量化和取樣規(guī)定的理想效果。這些誤差以一些交流和直流性能規(guī)范為特點，正是這些規(guī)范決定著轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)和動態(tài)性能。 1 偏移誤差 偏移誤差就是DAC的輸出和當(dāng)增益誤差為零時理想的傳遞函數(shù)的輸出之間的偏差。對于所有輸入編碼，偏移誤差都是常數(shù)。 2 增益誤差 增益誤差就是轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)的斜率與理想的傳遞函數(shù)之間的偏差，通過補償?shù)搅愕钠普`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(chǎn)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(shù)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(dǎo)致額外的諧波和毛刺。 5 單調(diào)性 如果一個DAC的輸出隨著數(shù)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(diào)性。反之，如果一個DAC的輸出隨著數(shù)字編碼的增大而減小，那么這個DAC就具有非單調(diào)性。 6 建立時間 建立時間是指模擬輸出響應(yīng)數(shù)字輸入上的一個步驟變更而在限定的誤差范圍內(nèi)確定一個數(shù)值的時間。 7 假信號 假信號是指當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸入和輸出改變狀態(tài)時，從輸入加到輸出上的負(fù)荷量。 8 數(shù)字饋通 數(shù)字饋通是指當(dāng)DAC沒有啟動時，高頻邏輯信號穿透到轉(zhuǎn)換器的輸出而產(chǎn)生的輸出噪音。 噪音有多個特征參數(shù)，如寄生自由動態(tài)量程(SFDR)，總諧波失真(THD)和信噪比(SNR)。另一個參數(shù)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(gòu)。 |
