真實(shí)傳達(dá)信號(hào)　DAC起到數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的作用

真實(shí)世界并非全然是數(shù)字環(huán)境，電子信號(hào)亦非由邏輯高低值或零與一組成，這些信號(hào)都是在某個(gè)電壓或電流范圍內(nèi)的模擬信號(hào)，而數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的用途就是將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可能來(lái)自于微處理器、高效能特定應(yīng)用集成電路(ASIC)或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，但是須要轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，才能對(duì)真實(shí)世界產(chǎn)生影響。無(wú)論系統(tǒng)使用的是音訊放大器、發(fā)光二極管(LED)指示器還是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，最終信號(hào)的本質(zhì)都會(huì)是模擬信號(hào)。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器正是將數(shù)字信號(hào)傳輸至模擬世界的橋梁，最終目的就是希望能準(zhǔn)確而真實(shí)地傳達(dá)信號(hào)。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是許多電子系統(tǒng)中的重要零件，所以了解其相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)大有幫助。本文將介紹數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器基本操作、關(guān)鍵定義及常見(jiàn)的拓?fù)洹?/p>

DAC重新建構(gòu)采樣數(shù)據(jù) 

自Nyquist-shannon采樣定理出現(xiàn)以來(lái)，工程師們就在開(kāi)發(fā)及使用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，但僅在過(guò)去的25年中，單芯片數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器才受到廣泛應(yīng)用。根據(jù)Nyquest-shannon采樣定理，只要符合頻寬與Nyquest標(biāo)準(zhǔn)，任何采樣數(shù)據(jù)都可完美地重新建構(gòu)。因此透過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器就能在應(yīng)用中準(zhǔn)確地重新建構(gòu)采樣數(shù)據(jù)。 

圖1所示為4位并聯(lián)輸入數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的示意圖。4位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器有24，也就是十六種可能的輸入數(shù)據(jù)代碼，如表中的第一欄所示。對(duì)于輸入數(shù)據(jù)代碼，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器可使用普通二進(jìn)制或二補(bǔ)碼系統(tǒng)，其中普通二進(jìn)制最為常見(jiàn)。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器具模擬參考(VREF)及電源供應(yīng)器(VA)與模擬輸出。在許多情況下，模擬參考及電源電壓可以相同，因此數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的一個(gè)接腳可用于兩種功能，同時(shí)參考可視數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)所需決定是電壓或電流。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器用參考乘以輸入數(shù)據(jù)代碼來(lái)產(chǎn)生模擬輸出，因此數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器是模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的反函數(shù)。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器是一種除法，將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字位。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器可視設(shè)計(jì)所需決定電壓或電流輸出。電流輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器特別適合高頻應(yīng)用，在這些應(yīng)用中可能需要更高的準(zhǔn)確度，這可透過(guò)內(nèi)建電流至電壓轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)行。此外，某些類型的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器使用雙極(正極及負(fù)極)，而不是單極結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可用于建立二象限與四象限乘法數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。本文將重點(diǎn)介紹單極電壓輸出數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，讀者可由此輕松掌握其它數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的理論。 

圖1數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換器操作

圖1最低有效位(LSB)是數(shù)據(jù)代碼最右側(cè)的位，表示數(shù)字代碼中的最小值；最高有效位(MSB)是數(shù)據(jù)代碼最左側(cè)的位，也表示一半的量測(cè)值。如表中所示，LSB(0001b)表示0.3125伏特(V)，LSB值由以下方程序決定(方程式1)： 

(方程式1)  

在大多數(shù)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器中，增益(G)為1，這樣可將方程式簡(jiǎn)化為VREF/2N。在理想的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，每增加一個(gè)位，就會(huì)使輸出電壓增加一個(gè)LSB。在本范例中，一個(gè)LSB的值是0.3125伏特，這是數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器可解析的最小增量。將LSB值與數(shù)據(jù)輸入代碼(DIN)相乘，即可將基本傳輸函數(shù)以以下的方程式2表示： 

(方程式2)  

當(dāng)DIN為1111時(shí)，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的輸出如方程式3所示。由此可知本范例中的最大輸出值為低于電壓參考(5伏特)一個(gè)LSB(0.3125伏特)的值。 

(方程式3)

在以上的范例中，輸出電壓只能上升到低于滿標(biāo)(Full-scale)電壓一個(gè)LSB的值。這在許多數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器中很常見(jiàn)，但某些數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，允許最大輸出電壓達(dá)到滿標(biāo)電壓。 

數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器正確傳達(dá)模擬信號(hào)的關(guān)鍵因素為數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的分辨率，或其可產(chǎn)生的信號(hào)「準(zhǔn)確度」。從方程式1中可看出，LSB值與位數(shù)(N)成反比，與VREF成正比，所以位數(shù)增加將會(huì)使LSB值減小，結(jié)果會(huì)導(dǎo)致數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器分辨率提高且信號(hào)準(zhǔn)確度更佳。圖2所示為「真實(shí)世界」正弦波形及4位與6位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的實(shí)例。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出應(yīng)透過(guò)數(shù)學(xué)方式以離散點(diǎn)方式表示，但由于存在延遲時(shí)間，操作中的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出方式將類似于眾所周知的「梯度」信號(hào)(如同示波器上所示)。要注意的是降低參考電壓同樣也可提高分辨率，但這將導(dǎo)致較低的滿標(biāo)輸出范圍，因?yàn)榭色@得的最大輸出值會(huì)受到VREF-1 LSB的限制。 

圖2正弦曲線和DAC分辨率

數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器基本操作很容易理解，但半導(dǎo)體制造商之間使用的術(shù)語(yǔ)可能有些混亂甚至相互矛盾。因此對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，了解應(yīng)用中大多數(shù)數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)表上所示的關(guān)鍵參數(shù)含義(表1)至關(guān)重要。 

DAC拓?fù)渥兓?nbsp;

字符串DAC是最常用的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器之一，并且有許多可用的變化。其中包括基本開(kāi)爾文(Kelvia)除法器、二進(jìn)制加權(quán)式DAC、以數(shù)位電位計(jì)為主的DAC、分段式字符串DAC及其它類型。開(kāi)爾文除法器也稱為字符串除法器，是最簡(jiǎn)單、也很常見(jiàn)的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?nbsp;

在圖3的拓?fù)渲校瑢?duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)上具有開(kāi)關(guān)的內(nèi)部電阻器與邏輯區(qū)塊對(duì)二進(jìn)制輸入進(jìn)行譯碼，N位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器將包含2N個(gè)電阻器及2N個(gè)開(kāi)關(guān)。此拓?fù)渚唠妷狠敵觯褂猛耆喾碾娮杵鲿r(shí)，具有線性單調(diào)性，主要缺點(diǎn)是輸出阻抗較高。大多數(shù)供貨商都會(huì)增加內(nèi)部放大器作為輸出緩沖器，為后續(xù)電路提供低阻抗來(lái)源，通常會(huì)視數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的分辨率來(lái)決定是否須要使用大量電阻器/開(kāi)關(guān)。4位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器僅需要十六個(gè)電阻器/開(kāi)關(guān)，而中等分辨率的12位DAC將需要四千零九十六個(gè)。隨著科技的進(jìn)步，這種拓?fù)湓诟哌_(dá)12?14位的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器中也很常見(jiàn)。在字符串除法器圖的右側(cè)可看到DAC121S101整合放大器緩沖器，并使用串行周邊總線(SPI)接口來(lái)輸入數(shù)據(jù)與進(jìn)行控制。 

圖3爾文除法器和12位字符串除法器-DAC121S101

R-2R梯形DAC是另一種很常見(jiàn)的拓?fù)洹D4中的電壓輸出DAC使用電阻器的兩個(gè)值比率為2比1。如圖4所示，電阻器的數(shù)量相較于字符串?dāng)?shù)字模擬轉(zhuǎn)換器大大減少。任何R2-R DAC都只需要2N個(gè)電阻器，這樣就更容易調(diào)整電阻器值。因此4位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器只需要八個(gè)電阻器，8位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器只需要二十四個(gè)電阻器。在圖4的右側(cè)是DAC0831，其中包含并聯(lián)輸入代碼緩存器，以及用于微處理器連接的支持功能區(qū)塊。 

圖4 R-2R梯形

R-2R梯形可設(shè)計(jì)成具有電壓或電流輸出。使用電壓輸出的主要好處是輸出阻抗不變，更容易連接輸出端的緩沖放大器。隨著科技的改進(jìn)，目前已開(kāi)發(fā)出多種R-2R梯形拓?fù)涞淖兓@點(diǎn)與字符串?dāng)?shù)字模擬轉(zhuǎn)換器非常相似。 

乘法型DAC(MDAC)就是基于R-2R梯形的變化。由于可透過(guò)互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)開(kāi)關(guān)控制R-2R開(kāi)關(guān)，因此很容易建構(gòu)梯形，以便在輸入端使用雙極信號(hào)。在輸入端使用正負(fù)雙極信號(hào)，就可將拓?fù)湓O(shè)計(jì)成啟用二象限與四象限數(shù)據(jù)存取組件(MDACs)。這些MDACs通常用作可變?cè)鲆娣糯笃鳎擞猛局猓€有許多獨(dú)特的應(yīng)用。 

分段式DAC是一種可混合或串聯(lián)多種其它數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器架構(gòu)(字符串或R-2R梯形)的拓?fù)洹＿@些專業(yè)化DAC常用于高速視訊或音訊系統(tǒng)中，在這些系統(tǒng)中重新建構(gòu)信號(hào)須跨越大范圍電壓或頻率來(lái)執(zhí)行。 

Sigma Delta(Σ-Δ)DAC是「相對(duì)」較新的拓?fù)洌洳僮髋c增量總和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器相似。這種數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器電路以低速率接收輸入數(shù)據(jù)，并以高速率將零新增到數(shù)據(jù)串流中，然后以高速率隨著時(shí)間推移進(jìn)行過(guò)濾。接著會(huì)透過(guò)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成位串流的Σ-Δ調(diào)變器來(lái)傳遞數(shù)據(jù)串流，最后再透過(guò)總和小于參考電壓之間切換的1位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器來(lái)傳遞數(shù)據(jù)串流。 

Sigma Delta DAC(及ADC)因其高分辨率與良好的DNL而廣受歡迎。Sigma Delta DAC應(yīng)用包括校準(zhǔn)、音訊及聲帶系統(tǒng)，在頻寬方面受到限制，因此不用于高速應(yīng)用。 

電子設(shè)計(jì)中，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器在數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)時(shí)發(fā)揮重要作用。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器可用于校準(zhǔn)系統(tǒng)、馬達(dá)控制、工廠測(cè)試設(shè)備、音訊系統(tǒng)、測(cè)量設(shè)備、控制系統(tǒng)與許多其它裝置中。但與數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器同樣重要的是，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)切記它只是系統(tǒng)的一部分，而系統(tǒng)可包含處理器、內(nèi)存、電源供應(yīng)器、模擬電路及其它混合信號(hào)裝置，這些功能區(qū)塊透過(guò)架構(gòu)聯(lián)系在一起，影響數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器電路的因素，例如噪聲與誤差，也會(huì)影響架構(gòu)的其它區(qū)塊。