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一、數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用 真實(shí)世界的模擬信號(hào)，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，被不斷轉(zhuǎn)換成更容易儲(chǔ)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(hào)來實(shí)現(xiàn)一些真實(shí)世界的功能。數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)就可以做到這一點(diǎn)，而且它們的輸出還可以用來驅(qū)動(dòng)各種設(shè)備，例如擴(kuò)音器、發(fā)動(dòng)機(jī)、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(shí)世界的信號(hào)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(hào)的系統(tǒng)中。這些系統(tǒng)所要求的DAC性能會(huì)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)量化(離散階段)模擬輸出來響應(yīng)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字輸入編碼。這個(gè)數(shù)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)制段或者線性段。接著，數(shù)字輸入會(huì)驅(qū)動(dòng)開關(guān)，這個(gè)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(gè)功能，或者還可以反映輸入編碼中的位數(shù)(N)。有N個(gè)位數(shù)，可能的編碼數(shù)為2N個(gè)。 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(hào)是具有無窮分辨率的連續(xù)性時(shí)域信號(hào)。但是，DAC的輸出是一個(gè)構(gòu)建于離散值(量化)的信號(hào)，這個(gè)離散值的產(chǎn)生也有一個(gè)統(tǒng)一但無窮的時(shí)間間隔(取樣)。也就是說，DAC輸出試圖展示的是一個(gè)具備無窮分辨率和帶寬的模擬信號(hào)。 量化和取樣對(duì)DAC的性能又一個(gè)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(dòng)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(hào)的最大帶寬。 在一個(gè)最理想的DAC中，模擬信號(hào)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(shí)世界中的操作也會(huì)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(diǎn)，正是這些規(guī)范決定著轉(zhuǎn)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(dāng)增益誤差為零時(shí)理想的傳遞函數(shù)的輸出之間的偏差。對(duì)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(bǔ)償?shù)搅愕钠普`差來計(jì)量。 3 微分非線性度(DNL) 微分非線性度是指一個(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(shí)際輸出電壓和理想輸出電壓在傳遞函數(shù)各端點(diǎn)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(jì)算出來的。INL誤差會(huì)導(dǎo)致額外的諧波和毛刺。 5 單調(diào)性 如果一個(gè)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(gè)DAC就具有單調(diào)性。反之，如果一個(gè)DAC的輸出隨著數(shù)字編碼的增大而減小，那么這個(gè)DAC就具有非單調(diào)性。 6 建立時(shí)間 建立時(shí)間是指模擬輸出響應(yīng)數(shù)字輸入上的一個(gè)步驟變更而在限定的誤差范圍內(nèi)確定一個(gè)數(shù)值的時(shí)間。 7 假信號(hào) 假信號(hào)是指當(dāng)轉(zhuǎn)換器輸入和輸出改變狀態(tài)時(shí)，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(dòng)時(shí)，高頻邏輯信號(hào)穿透到轉(zhuǎn)換器的輸出而產(chǎn)生的輸出噪音。 噪音有多個(gè)特征參數(shù)，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(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)。 |
