AD/DA的分類(lèi)與主要技術(shù)指標

　　1. AD轉換器的分類(lèi)

　　下面簡(jiǎn)要介紹常用的幾種類(lèi)型的基本原理及特點(diǎn)：積分型、逐次逼近型、并行比較型/串并行型、Σ-Δ調制型、電容陣列逐次比較型及壓頻變換型。

　　1）積分型（如TLC7135）

　　積分型AD工作原理是將輸入電壓轉換成時(shí)間(脈沖寬度信號)或頻率(脈沖頻率),然后由定時(shí)器/計數器獲得數字值。其優(yōu)點(diǎn)是用簡(jiǎn)單電路就能獲得高分辨率, 但缺點(diǎn)是由于轉換精度依賴(lài)于積分時(shí)間,因此轉換速率極低。初期的單片AD轉換器大多采用積分型,現在逐次比較型已逐步成為主流。

　　2）逐次比較型（如TLC0831）

　　逐次比較型AD由一個(gè)比較器和DA轉換器通過(guò)逐次比較邏輯構成,從MSB開(kāi)始,順序地對每一位將輸入電壓與內置DA轉換器輸出進(jìn)行比較,經(jīng)n次比較而輸出數字值。其電路規模屬于中等。其優(yōu)點(diǎn)是速度較高、功耗低,在低分辯率（12位）時(shí)價(jià)格便宜,但高精度（>12位）時(shí)價(jià)格很高。

　　3）并行比較型/串并行比較型（如TLC5510）

　　并行比較型AD采用多個(gè)比較器,僅作一次比較而實(shí)行轉換,又稱(chēng)FLash(快速)型。由于轉換速率極高,n位的轉換需要2n-1個(gè)比較器,因此電路規模也極大,價(jià)格也高,只適用于視頻AD轉換器等速度特別高的領(lǐng)域。

　　串并行比較型AD結構上介于并行型和逐次比較型之間,最典型的是由2個(gè)n/2位的并行型AD轉換器配合DA轉換器組成,用兩次比較實(shí)行轉換,所以稱(chēng)為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實(shí)現AD轉換的叫做分級（Multistep/Subrangling）型AD,而從轉換時(shí)序角度又可稱(chēng)為流水線(xiàn)（Pipelined）型AD,現代的分級型AD中還加入了對多次轉換結果作數字運算而修正特性等功能。這類(lèi)AD速度比逐次比較型高,電路規模比并行型小。

　　4）Σ-Δ(Sigma/FONT>delta)調制型（如AD7705）

　　Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉換器和數字濾波器等組成。原理上近似于積分型,將輸入電壓轉換成時(shí)間(脈沖寬度)信號,用數字濾波器處理后得到數字值。電路的數字部分基本上容易單片化,因此容易做到高分辨率。主要用于音頻和測量。

　　5）電容陣列逐次比較型

　　電容陣列逐次比較型AD在內置DA轉換器中采用電容矩陣方式,也可稱(chēng)為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉換器中多數電阻的值必須一致,在單芯片上生成高精度的電阻并不容易。如果用電容陣列取代電阻陣列,可以用低廉成本制成高精度單片AD轉換器。最近的逐次比較型AD轉換器大多為電容陣列式的。

　　6）壓頻變換型（如AD650）

　　壓頻變換型（Voltage-Frequency Converter）是通過(guò)間接轉換方式實(shí)現模數轉換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉換成頻率,然后用計數器將頻率轉換成數字量。從理論上講這種AD 的分辨率幾乎可以無(wú)限增加,只要采樣的時(shí)間能夠滿(mǎn)足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低,但是需要外部計數電路共同完成AD轉換。

　　2. AD轉換器的主要技術(shù)指標

　　1）分辯率(Resolution) 指數字量變化一個(gè)最小量時(shí)模擬信號的變化量,定義為滿(mǎn)刻度與2n的比值。分辯率又稱(chēng)精度,通常以數字信號的位數來(lái)表示。

　　2）轉換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉換到數字的AD轉換所需的時(shí)間的倒數。積分型AD的轉換時(shí)間是毫秒級屬低速AD,逐次比較型AD是微秒級屬中速AD,全并行/串并行型AD可達到納秒級。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念,是指兩次轉換的間隔。為了保證轉換的正確完成,采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉換速率。因此有人習慣上將轉換速率在數值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是ksps和Msps,表示每秒采樣千/百萬(wàn)次（kilo / Million Samples per Second）。

　　3）量化誤差(Quantizing Error) 由于A(yíng)D的有限分辯率而引起的誤差,即有限分辯率AD的階梯狀轉移特性曲線(xiàn)與無(wú)限分辯率AD（理想AD）的轉移特性曲線(xiàn)（直線(xiàn)）之間的最大偏差。通常是1 個(gè)或半個(gè)最小數字量的模擬變化量,表示為1LSB、1/2LSB。

　　4）偏移誤差(Offset Error) 輸入信號為零時(shí)輸出信號不為零的值,可外接電位器調至最小。

　　5）滿(mǎn)刻度誤差(Full Scale Error) 滿(mǎn)度輸出時(shí)對應的輸入信號與理想輸入信號值之差。

　　6）線(xiàn)性度(Linearity) 實(shí)際轉換器的轉移函數與理想直線(xiàn)的最大偏移,不包括以上三種誤差。

　　其他指標還有：絕對精度(Absolute Accuracy) ,相對精度(Relative Accuracy),微分非線(xiàn)性,單調性和無(wú)錯碼,總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫(xiě)THD）和積分非線(xiàn)性。

　　3. DA轉換器

　　DA轉換器的內部電路構成無(wú)太大差異,一般按輸出是電流還是電壓、能否作乘法運算等進(jìn)行分類(lèi)。大多數DA轉換器由電阻陣列和n個(gè)電流開(kāi)關(guān)(或電壓開(kāi)關(guān))構成。按數字輸入值切換開(kāi)關(guān),產(chǎn)生比例于輸入的電流(或電壓)。此外,也有為了改善精度而把恒流源放入器件內部的。一般說(shuō)來(lái),由于電流開(kāi)關(guān)的切換誤差小,大多采用電流開(kāi)關(guān)型電路,電流開(kāi)關(guān)型電路如果直接輸出生成的電流,則為電流輸出型DA轉換器,此外,電壓開(kāi)關(guān)型電路為直接輸出電壓型DA轉換器。

　　1）電壓輸出型（如TLC5620）

　　電壓輸出型DA轉換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,但一般采用內置輸出放大器以低阻抗輸出。直接輸出電壓的器件僅用于高阻抗負載,由于無(wú)輸出放大器部分的延遲,故常作為高速DA轉換器使用。

　　2）電流輸出型(如THS5661A)

　　電流輸出型DA轉換器很少直接利用電流輸出,大多外接電流—電壓轉換電路得到電壓輸出,后者有兩種方法：一是只在輸出引腳上接負載電阻而進(jìn)行電流—電壓轉換,二是外接運算放大器。用負載電阻進(jìn)行電流—電壓轉換的方法,雖可在電流輸出引腳上出現電壓,但必須在規定的輸出電壓范圍內使用,而且由于輸出阻抗高, 所以一般外接運算放大器使用。此外,大部分CMOS DA轉換器當輸出電壓不為零時(shí)不能正確動(dòng)作,所以必須外接運算放大器。

　　當外接運算放大器進(jìn)行電流電壓轉換時(shí),則電路構成基本上與內置放大器的電壓輸出型相同,這時(shí)由于在DA轉換器的電流建立時(shí)間上加入了達算放入器的延遲,使響應變慢。此外,這種電路中運算放大器因輸出引腳的內部電容而容易起振,有時(shí)必須作相位補償。

　　3）乘算型（如AD7533）

　　DA轉換器中有使用恒定基準電壓的,也有在基準電壓輸入上加交流信號的,后者由于能得到數字輸入和基準電壓輸入相乘的結果而輸出,因而稱(chēng)為乘算型DA轉換器。乘算型DA轉換器一般不僅可以進(jìn)行乘法運算,而且可以作為使輸入信號數字化地衰減的衰減器及對輸入信號進(jìn)行調制的調制器使用。

　　4）一位DA轉換器

　　一位DA轉換器與前述轉換方式全然不同,它將數字值轉換為脈沖寬度調制或頻率調制的輸出,然后用數字濾波器作平均化而得到一般的電壓輸出(又稱(chēng)位流方式),用于音頻等場(chǎng)合。

　　4. DA轉換器的主要技術(shù)指標

　　1）分辯率(Resolution) 指最小模擬輸出量（對應數字量?jì)H最低位為‘1’）與最大量（對應數字量所有有效位為‘1’）之比。

　　2）建立時(shí)間(Setting Time) 是將一個(gè)數字量轉換為穩定模擬信號所需的時(shí)間,也可以認為是轉換時(shí)間。DA中常用建立時(shí)間來(lái)描述其速度,而不是AD中常用的轉換速率。一般地,電流輸出 DA建立時(shí)間較短,電壓輸出DA則較長(cháng)。

　　其他指標還有線(xiàn)性度(Linearity),轉換精度,溫度系數/漂移。