數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)電壓電流控制的必經之路-數(shù)模轉換器

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接上一篇文章，我們了解到了模數(shù)轉換器，本文將帶你了解數(shù)模轉換器。

看名字就能知道，如果模數(shù)轉換器實現(xiàn)了模擬信號到數(shù)字信號的轉換，那么，數(shù)模轉換器就是模數(shù)轉換器的逆過程，即把數(shù)字信號轉換成模擬信號。

一個數(shù)字系統(tǒng)如果要控制電流電壓，用數(shù)字信號輸出肯定是不行的，因為數(shù)字信號只有 0 和 1，所以我們必須要將數(shù)字信號轉換成模擬信號才能夠實現(xiàn)控制。

而數(shù)模轉換器的原理其實很簡單，就是將將輸入的每一位二進制代碼按其權的大小轉換成相應的模擬量，然后將代表各位的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉換。

而實現(xiàn)該轉換過程的電路思路上大同小異，基本都是由數(shù)碼寄存器、模擬開關、參考電壓、解碼網(wǎng)絡和求和電路組成。

DAC 的電路組成決定了它的類型不會太多，因為寄存器、開關、參考電壓和求和電路的實現(xiàn)方式單一，只有解碼網(wǎng)絡有多種實現(xiàn)方式，權電阻網(wǎng)絡、R–2R 倒 T 形電阻網(wǎng)絡和單值電流型網(wǎng)絡等。所以，DAC 的常見的類型便是權電阻網(wǎng)絡 DAC、倒 T 形電阻網(wǎng)絡 DAC 和權電流型 DAC。

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1. 權電阻網(wǎng)絡 DAC

優(yōu)點：結構比較簡單，所用的電阻元件數(shù)很少。

缺點：各個電阻阻值相差較大，尤其在輸入信號的位數(shù)較多時，這個問題更加突出。要想在極為寬廣的阻值范圍內保證每個電阻都有很高的精度是十分困難的，尤其對制作集成電路更加不利。

2. 倒 T 形電阻網(wǎng)絡 DAC

優(yōu)點：能實現(xiàn)很好的線性度，由于所有的電流源都是等值的，我們可以用特殊的附加技術使它們間誤差較小，與電阻分壓相比其結構簡單得多。

缺點：電阻總是非線性的，還包含著和信 號有關的寄生電容，要做到完全匹配較難。同時速度受到輸出緩沖器的限制，速度做不到很高。

3. 權電流型 DAC

優(yōu)點：精度小于 10 位時能將面積做得很小，速度不受放大器帶寬和較大 RC 延遲的限制，可達到很高的速度，由于所有的電流都直接流向輸出端，所以能量的使用效率很高，且容易實現(xiàn)。

缺點：對器件不匹配性的敏感和有限的電流源輸出阻抗。

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DAC 的主要參數(shù)：

分辨率

DAC 中的分辨率定義為在不同的輸入數(shù)字碼值下所有可能輸出的模擬電平的個數(shù)，N 位分辨率意味著 DAC 能產生 2 N ?1 個不同的模擬電平，一般情況下它就指輸入數(shù)字碼的位數(shù)。

失調和增益誤差

失調定義為當輸入 0 碼值時實際輸出的模擬信號的值，增益誤差定義為當扣除失調后理想的滿量程輸出的值和實際輸出的值的差。

精度

DAC 中的精度分為絕對精度和相對精度。絕對精度定義為理想輸出和實際輸出之 間的差，包括各種失調和非線性誤差在內。相對精度定義為最大積分非線性誤差。精度表示為滿量程的比例，用有效位數(shù)來表示。例如 8-bit 精度表示 DAC 的誤差小于 DAC 輸出滿量程的 1/28-1。注意精度這個概念和分辨率不相關。一個 12-bit 分辨率的 DAC 可能精度只有 10-bit；而一個 10-bit 分辨率的 DAC 可能有 12-bit 的精度。精度大于分辨率意味著 DAC 的傳輸響應能夠被比較精確地控制。

積分線性誤差（INL－Integral Nonlinearity）

當除去失調和增益誤差后，積分線性誤差就定義為實際輸出傳輸特性曲線對理想傳輸特性曲線（一條直線）的偏離。

微分線性誤差（DNL－Differential Nonlinearity）

在理想的 DAC 中，每次模擬輸 出變化最小為 1LSB，微分線性誤差定義為每次模擬輸出變化最小時對 1LSB 的偏離（將增 益誤差和失調除外）。我們定義的 DNL 是對每個數(shù)字輸入碼值而言的，有時也有用最大 的 DNL 來定義整個 DAC 的 DNL。理想的 DAC 對于每個數(shù)字輸入其微分線性誤差均為 0， 而一個具有最大 DNL 為 0.5LSB 的 DAC 的每次最小變化輸出在 0.5LSB 到 1.5LSB 之間。如圖 DAC 的積分和微分線性誤差所示。

抖動能量（Glitch Impulse Area） 輸入信號變化以后在輸出端出現(xiàn)的抖動下的 最大面積。

建立時間（Settling Time） 在最終值的一個特定的誤差范圍之內，輸出經歷滿 幅轉換所需要的時間。

單調性 一個單調的 DAC 指隨著輸入數(shù)字碼值增加輸出模擬電平一直增加 DAC。如果 最大的 DNL 控制在 0.5LSB 以內，那么 DAC 的單調性自然能得到保證。

偽動態(tài)范圍（SFDR） SFDR 就是 Spurious Free Dynamic Range，即無噪聲和諧波的動態(tài)范圍。噪聲和諧波都稱為偽信號（Spurious）。

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