【E課堂】DAC的基礎知識：靜態(tài)技術(shù)規格

　　所有DAC之間的共性就是技術(shù)規格的定義以及說(shuō)明。這篇文章將會(huì )論述靜態(tài)DAC技術(shù)規格。靜態(tài)DAC技術(shù)規格包括對DAC在DC域中所具有的特性的描述。在DC域中時(shí)，DAC的數字與模擬定時(shí)現象不屬于這一組技術(shù)規格。

　　圖1

　　雖然這3個(gè)DAC拓撲互不相同，但它們的技術(shù)規格與電氣描述非常類(lèi)似。

　　一個(gè)主要的靜態(tài)DAC技術(shù)規格就是理想轉換函數(圖2)。在對這個(gè)普通轉換函數的圖示中，可以輕松地體會(huì )和理解零代碼、偏移、滿(mǎn)量程以及增益的定義。一旦你理解了上述概念，差分非線(xiàn)性 (DNL)，積分非線(xiàn)性 (INL)以及單調性技術(shù)規格也就再次成為理想轉換函數的另一個(gè)導函數。

　　圖2

　　理想DAC轉換函數

　　圖2顯示了一個(gè)DAC是如何為數字輸入代碼的一個(gè)離散數值生成單個(gè)模擬輸出值的方式。圖中數字輸入代碼的順序是單極的，其中代碼以標準二進(jìn)制的方式增加。

　　圖2中DAC轉換函數的模擬范圍是從零至模擬輸出滿(mǎn)量程 (FS) 值。DAC電壓基準 (VREF) 建立了轉換器的最低有效位 (LSB) 或代碼寬度，并且設定了滿(mǎn)量程范圍 (FSR)。LSB的大小等于VREF/ 2N。

　　在圖2中，“N”等于轉換器的分辨率，而2N等于轉換器單個(gè)位的數量。DAC所具有的代碼的數量等于2N。對于3位轉換器來(lái)說(shuō)，代碼數量等于23或8。這個(gè)理想轉換函數的轉換公式為VOUT = VREF x (CODE/2N)，并且滿(mǎn)量程輸出電壓等于VREF – 1LSB。

　　零代碼誤差

　　圖3中，DAC的零代碼誤差是最易理解的靜態(tài)技術(shù)規格。我們假定這個(gè)值是針對一個(gè)單極、單電源DAC而言的，這個(gè)DAC的完全理想最小輸出電壓為0伏。當將數字0值載入到DAC寄存器中時(shí)，零量程誤差出現在DAC的模擬輸出引腳上。這個(gè)誤差是由內部輸出放大器的輸出擺動(dòng)性能導致的。對于單電源DAC來(lái)說(shuō)，零量程誤差始終為正值，而這個(gè)技術(shù)規格的單位為毫伏或微伏。

　　圖3

　　DAC的內部輸出放大器因不能達到負電源軌而導致的零誤差運行狀態(tài)。

　　偏移誤差

　　然而，偏移誤差是不同的。偏移誤差在整個(gè)DAC轉換曲線(xiàn)的大部分范圍內存在。在圖4中，在理想轉換曲線(xiàn)的每一個(gè)代碼上，模擬偏移誤差都會(huì )變化。從圖中你能夠看到，在沿著(zhù)x軸的垂直方向上，具有偏移誤差的轉換曲線(xiàn)與理想曲線(xiàn)的相同程度。這個(gè)技術(shù)規格的單位通常為毫伏。

　　圖4

　　偏移誤差可為正，亦可為負，但是它始終以同樣的誤差影響著(zhù)每一個(gè)代碼。

　　增益誤差

　　增益誤差這個(gè)概念有些難以理解?？偟膩?lái)說(shuō)，增益誤差描述的是理想DAC曲線(xiàn)斜率的變化。圖5對這個(gè)概念進(jìn)行了說(shuō)明。增益誤差技術(shù)規格通常以FSR的百分比來(lái)表示，并且在消除偏移誤差之后進(jìn)行計算。

　　圖5

　　DAC的增益誤差使理想轉換函數繞著(zhù)零交叉點(diǎn)旋轉。

　　差分非線(xiàn)性

　　差分非線(xiàn)性 (INL) 是一個(gè)靜態(tài)技術(shù)規格，有時(shí)也被稱(chēng)為差分線(xiàn)性。DNL是實(shí)際模擬輸出步長(cháng)與1LSB的理想步長(cháng)值的最大偏離。這在整個(gè)實(shí)際轉換函數曲線(xiàn)上進(jìn)行評估(圖6)。由于每個(gè)代碼也許都需要調整，所以很難校準這個(gè)DAC誤差。

　　圖6

　　DNL代表每個(gè)實(shí)際電壓輸出與理想曲線(xiàn)間的差異。一個(gè)12位DACDNL誤差曲線(xiàn)，其中x軸等于DAC代碼(0至4095)，而y軸等于DNL。

　　例如，一個(gè)對于1 LSB數字代碼變化發(fā)生1.5 LSB輸出改變的DAC表現出0.5 LSB的差分非線(xiàn)性。DNL大于1也許說(shuō)明存在缺失的代碼。差分非線(xiàn)性的測量單位為分數位或滿(mǎn)量程的百分比。出現DNL問(wèn)題的DAC所生成的誤差會(huì )影響到增益控制應用。

　　單調性

　　作為一名音樂(lè )家，我從來(lái)都不理解這個(gè)術(shù)語(yǔ)的來(lái)源。在音樂(lè )領(lǐng)域，單調的定義就是只有一個(gè)音調。但接下來(lái)我們要從另外一個(gè)角度來(lái)看看這個(gè)DAC技術(shù)規格的定義。

　　少于 -1 LSB的差分非線(xiàn)性為DAC產(chǎn)生一個(gè)非單調轉換函數(圖7)。如果DAC是非單調的，那么DAC模擬輸出的振幅小于數字輸入代碼的增加量，反之亦然。

　　圖7

　　非單調DAC運行狀態(tài)在模數轉換關(guān)系中出現反轉。

　　一個(gè)DAC所表現出的任何非單調運行狀態(tài)無(wú)法確定是否會(huì )對系統造成影響。例如，在音頻應用中，聽(tīng)眾能夠聽(tīng)到一個(gè)短暫的較小的模擬輸出電壓，而無(wú)法察覺(jué)較大的輸入代碼。在另外的應用中，這會(huì )是一個(gè)很明顯的問(wèn)題，有可能導致系統振蕩。例如，在一個(gè)DC電機控制系統中，相對于輸入代碼的增加而產(chǎn)生的模擬輸出電壓減少，也許很容易地被誤解為系統將通過(guò)減少輸入代碼來(lái)執行校正。

　　積分非線(xiàn)性

　　另外一個(gè)DAC靜態(tài)技術(shù)規格為積分非線(xiàn)性 (INL)，它是DAC真實(shí)轉換函數到理想轉換函數輕微偏離的測量值(圖8)。積分非線(xiàn)性、線(xiàn)性誤差、或者INL是DNL誤差的最高值。這個(gè)技術(shù)規格使用最優(yōu)直線(xiàn)或端到端(端點(diǎn)線(xiàn)性)直線(xiàn)來(lái)量化INL，單位為L(cháng)SB。

　　圖8

　　INL技術(shù)規格定義了最優(yōu)直線(xiàn)或端到端直線(xiàn)與理想DAC轉換函數之間的最差情況距離。

　　諸如仲裁波形發(fā)生器的應用需要有較好的INL。

　　在數據表之間比較技術(shù)規格

　　當將一個(gè)數據表與另一個(gè)數據表進(jìn)行比較時(shí)，技術(shù)規格也許會(huì )有不同的測量單位。例如，在一個(gè)數據表中，偏移誤差的單位也許是伏，而在另外一個(gè)數據表中，單位也許是LSB或FSR的百分比。表1提供了在LSB、伏、FSR百分比和PPM(百萬(wàn)分率)之間的轉換計算方法。

　　表1 技術(shù)規格單位轉換

　　結論

　　DAC的偏移、增益、INL、和DNL運行狀態(tài)會(huì )以多種方式影響總體系統的有效性。但是，還有很多其它的影響因素。在這個(gè)DAC系列的第4部分，我們將涉及動(dòng)態(tài)技術(shù)規格的定義，諸如穩定時(shí)間、毛刺脈沖和噪聲。