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一、數模轉換器的作用 真實(shí)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(fā)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(lái)實(shí)現一些真實(shí)世界的功能。數模轉換器(DAC)就可以做到這一點(diǎn)，而且它們的輸出還可以用來(lái)驅動(dòng)各種設備，例如擴音器、發(fā)動(dòng)機、射頻發(fā)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(shí)世界的信號通過(guò)模數轉換器(ADC)數字化和處理過(guò)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(huì )受到系統其它組件的性能和要求的影響。 二、基本原理 DAC會(huì )產(chǎn)生一個(gè)量化(離散階段)模擬輸出來(lái)響應一個(gè)二進(jìn)制數字輸入編碼。這個(gè)數字輸入可能是TTL、 ECL、CMOS或者LVDS,而模擬輸出則是一個(gè)電壓或電流輸出。 為產(chǎn)生輸出，一個(gè)參考量(電壓或電流量)被分成二進(jìn)制段或者線(xiàn)性段。接著(zhù)，數字輸入會(huì )驅動(dòng)開(kāi)關(guān)，這個(gè)開(kāi)關(guān)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(gè)功能，或者還可以反映輸入編碼中的位數(N)。有N個(gè)位數，可能的編碼數為2N個(gè)。 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(wú)窮分辨率的連續性時(shí)域信號。但是，DAC的輸出是一個(gè)構建于離散值(量化)的信號，這個(gè)離散值的產(chǎn)生也有一個(gè)統一但無(wú)窮的時(shí)間間隔(取樣)。也就是說(shuō)，DAC輸出試圖展示的是一個(gè)具備無(wú)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(gè)基本的但可以預料到的限制。量化決定了轉換器的最大動(dòng)態(tài)范圍，并產(chǎn)生量化誤差和噪音。而按照Nyquist標準，取樣則決定著(zhù)DAC輸出信號的最大帶寬。 在一個(gè)最理想的DAC中，模擬信號正好就是一個(gè)最低有效位(LSB)部分，而一個(gè)LSB是一個(gè)分成2N段的滿(mǎn)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(shí)世界中的操作也會(huì )受到一些非理想效果的影響，而無(wú)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(diǎn)，正是這些規范決定著(zhù)轉換器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)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(shí)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(guò)補償到零的偏移誤差來(lái)計量。 3 微分非線(xiàn)性度(DNL) 微分非線(xiàn)性度是指一個(gè)實(shí)際的步尺寸和一個(gè)理想的LSB步之間的偏差。DNL誤差會(huì )產(chǎn)生超過(guò)量化效果范圍之外的額外噪音和毛刺。 4 積分非線(xiàn)性度(INL) 積分非線(xiàn)性度是實(shí)際輸出電壓和理想輸出電壓在傳遞函數各端點(diǎn)之間的直線(xiàn)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(lái)的。INL誤差會(huì )導致額外的諧波和毛刺。 5 單調性 如果一個(gè)DAC的輸出隨著(zhù)數字輸入編碼的增大而增大或者保持不變，那么這個(gè)DAC就具有單調性。反之，如果一個(gè)DAC的輸出隨著(zhù)數字編碼的增大而減小，那么這個(gè)DAC就具有非單調性。 6 建立時(shí)間 建立時(shí)間是指模擬輸出響應數字輸入上的一個(gè)步驟變更而在限定的誤差范圍內確定一個(gè)數值的時(shí)間。 7 假信號 假信號是指當轉換器輸入和輸出改變狀態(tài)時(shí)，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(méi)有啟動(dòng)時(shí)，高頻邏輯信號穿透到轉換器的輸出而產(chǎn)生的輸出噪音。 噪音有多個(gè)特征參數，如寄生自由動(dòng)態(tài)量程(SFDR)，總諧波失真(THD)和信噪比(SNR)。另一個(gè)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。 |
