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真實傳達信號　DAC起到數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換的作用

真實世界并非全然是數(shù)字環(huán)境，電子信號亦非由邏輯高低值或零與一組成，這些信號都是在某個電壓或電流范圍內(nèi)的模擬信號，而數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)的用途就是將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號。數(shù)字數(shù)據(jù)可能來自于微處理器、高效能特定應(yīng)用集成電路(ASIC)或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，但是須要轉(zhuǎn)換成模擬信號，才能對真實世界產(chǎn)生影響。無論系統(tǒng)使用的是音訊放大器、發(fā)光二極管(LED)指示器還是馬達驅(qū)動器，最終信號的本質(zhì)都會是模擬信號。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器正是將數(shù)字信號傳輸至模擬世界的橋梁，最終目的就是希望能準確而真實地傳達信號。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)鍵定義及常見的拓撲。

DAC重新建構(gòu)采樣數(shù)據(jù) 

自Nyquist-shannon采樣定理出現(xiàn)以來，工程師們就在開發(fā)及使用數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，但僅在過去的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標準，任何采樣數(shù)據(jù)都可完美地重新建構(gòu)。因此透過適當設(shè)計，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器就能在應(yīng)用中準確地重新建構(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制或二補碼系統(tǒng)，其中普通二進制最為常見。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)換器的一個接腳可用于兩種功能，同時參考可視數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器設(shè)計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確度，這可透過內(nèi)建電流至電壓轉(zhuǎn)換來實行。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，這樣可將方程式簡化為VREF/2N。在理想的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器設(shè)計中，每增加一個位，就會使輸出電壓增加一個LSB。在本范例中，一個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DIN為1111時，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(Full-scale)電壓一個LSB的值。這在許多數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器中很常見，但某些數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器經(jīng)過特殊設(shè)計，允許最大輸出電壓達到滿標電壓。 

數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器正確傳達模擬信號的關(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「準確度」。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)增加將會使LSB值減小，結(jié)果會導(dǎo)致數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器分辨率提高且信號準確度更佳。圖2所示為「真實世界」正弦波形及4位與6位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的實例。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器輸出應(yīng)透過數(shù)學(xué)方式以離散點方式表示，但由于存在延遲時間，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(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)致較低的滿標輸出范圍，因為可獲得的最大輸出值會受到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)語可能有些混亂甚至相互矛盾。因此對設(shè)計師來說，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拓撲變化多 

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。其中包括基本開爾文(Kelvia)除法器、二進制加權(quán)式DAC、以數(shù)位電位計為主的DAC、分段式字符串DAC及其它類型。開爾文除法器也稱為字符串除法器，是最簡單、也很常見的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器拓撲。 

在圖3的拓撲中，對每個節(jié)點上具有開關(guān)的內(nèi)部電阻器與邏輯區(qū)塊對二進制輸入進行譯碼，N位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器將包含2N個電阻器及2N個開關(guān)。此拓撲具電壓輸出，使用完全相符的電阻器時，具有線性單調(diào)性，主要缺點是輸出阻抗較高。大多數(shù)供貨商都會增加內(nèi)部放大器作為輸出緩沖器，為后續(xù)電路提供低阻抗來源，通常會視數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器的分辨率來決定是否須要使用大量電阻器/開關(guān)。4位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器僅需要十六個電阻器/開關(guān)，而中等分辨率的12位DAC將需要四千零九十六個。隨著科技的進步，這種拓撲在高達12?14位的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器中也很常見。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)接口來輸入數(shù)據(jù)與進行控制。 

圖3爾文除法器和12位字符串除法器-DAC121S101

R-2R梯形DAC是另一種很常見的拓撲。圖4中的電壓輸出DAC使用電阻器的兩個值比率為2比1。如圖4所示，電阻器的數(shù)量相較于字符串數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器大大減少。任何R2-R DAC都只需要2N個電阻器，這樣就更容易調(diào)整電阻器值。因此4位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器只需要八個電阻器，8位數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器只需要二十四個電阻器。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，目前已開發(fā)出多種R-2R梯形拓撲的變化，這點與字符串數(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。由于可透過互補式金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)開關(guān)控制R-2R開關(guān)，因此很容易建構(gòu)梯形，以便在輸入端使用雙極信號。在輸入端使用正負雙極信號，就可將拓撲設(shè)計成啟用二象限與四象限數(shù)據(jù)存取組件(MDACs)。這些MDACs通常用作可變增益放大器，但除此用途之外，還有許多獨特的應(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)的拓撲。這些專業(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)信號須跨越大范圍電壓或頻率來執(zhí)行。 

Sigma Delta(Σ-Δ)DAC是「相對」較新的拓撲，其操作與增量總和模擬數(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間推移進行過濾。接著會透過將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成位串流的Σ-Δ調(diào)變器來傳遞數(shù)據(jù)串流，最后再透過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、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)計中，數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器在數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號時發(fā)揮重要作用。數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器可用于校準系統(tǒng)、馬達控制、工廠測試設(shè)備、音訊系統(tǒng)、測量設(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裝置，這些功能區(qū)塊透過架構(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，也會影響架構(gòu)的其它區(qū)塊。