DAC基礎(chǔ)知識(shí)：靜態(tài)技術(shù)規(guī)格

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

圖1

雖然這3個(gè)DAC拓?fù)浠ゲ幌嗤?，但它們的技術(shù)規(guī)格與電氣描述非常類似。

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

圖2

理想DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)

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

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

在圖2中，“N”等于轉(zhuǎn)換器的分辨率，而2N等于轉(zhuǎn)換器單個(gè)位的數(shù)量。DAC所具有的代碼的數(shù)量等于2N。對(duì)于3位轉(zhuǎn)換器來說，代碼數(shù)量等于23或8。這個(gè)理想轉(zhuǎn)換函數(shù)的轉(zhuǎn)換公式為VOUT = VREF x (CODE/2N)，并且滿量程輸出電壓等于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(guī)格。我們假定這個(gè)值是針對(duì)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(dāng)將數(shù)字0值載入到DAC寄存器中時(shí)，零量程誤差出現(xiàn)在DAC的模擬輸出引腳上。這個(gè)誤差是由內(nèi)部輸出放大器的輸出擺動(dòng)性能導(dǎo)致的。對(duì)于單電源DAC來說，零量程誤差始終為正值，而這個(gè)技術(shù)規(guī)格的單位為毫伏或微伏。

圖3

DAC的內(nèi)部輸出放大器因不能達(dá)到負(fù)電源軌而導(dǎo)致的零誤差運(yùn)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(zhuǎn)換曲線的大部分范圍內(nèi)存在。在圖4中，在理想轉(zhuǎn)換曲線的每一個(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x軸的垂直方向上，具有偏移誤差的轉(zhuǎn)換曲線與理想曲線的相同程度。這個(gè)技術(shù)規(guī)格的單位通常為毫伏。

圖4

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

增益誤差

增益誤差這個(gè)概念有些難以理解?？偟膩碚f，增益誤差描述的是理想DAC曲線斜率的變化。圖5對(duì)這個(gè)概念進(jìn)行了說明。增益誤差技術(shù)規(guī)格通常以FSR的百分比來表示，并且在消除偏移誤差之后進(jìn)行計(jì)算。

圖5

DAC的增益誤差使理想轉(zhuǎn)換函數(shù)繞著零交叉點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。

差分非線性

差分非線性 (INL) 是一個(gè)靜態(tài)技術(shù)規(guī)格，有時(shí)也被稱為差分線性。DNL是實(shí)際模擬輸出步長與1LSB的理想步長值的最大偏離。這在整個(gè)實(shí)際轉(zhuǎn)換函數(shù)曲線上進(jìn)行評(píng)估（圖6）。由于每個(gè)代碼也許都需要調(diào)整，所以很難校準(zhǔn)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間的差異。一個(gè)12位DAC DNL誤差曲線，其中x軸等于DAC代碼（0至4095），而y軸等于DNL。

例如，一個(gè)對(duì)于1 LSB數(shù)字代碼變化發(fā)生1.5 LSB輸出改變的DAC表現(xiàn)出0.5 LSB的差分非線性。DNL大于1也許說明存在缺失的代碼。差分非線性的測量單位為分?jǐn)?shù)位或滿量程的百分比。出現(xiàn)DNL問題的DAC所生成的誤差會(huì)影響到增益控制應(yīng)用。

單調(diào)性

作為一名音樂家，我從來都不理解這個(gè)術(shù)語的來源。在音樂領(lǐng)域，單調(diào)的定義就是只有一個(gè)音調(diào)。但接下來我們要從另外一個(gè)角度來看看這個(gè)DAC技術(shù)規(guī)格的定義。

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

圖7

非單調(diào)DAC運(yùn)行狀態(tài)在模數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系中出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。

一個(gè)DAC所表現(xiàn)出的任何非單調(diào)運(yùn)行狀態(tài)無法確定是否會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。例如，在音頻應(yīng)用中，聽眾能夠聽到一個(gè)短暫的較小的模擬輸出電壓，而無法察覺較大的輸入代碼。在另外的應(yīng)用中，這會(huì)是一個(gè)很明顯的問題，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。例如，在一個(gè)DC電機(jī)控制系統(tǒng)中，相對(duì)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(tǒng)將通過減少輸入代碼來執(zhí)行校正。

積分非線性

另外一個(gè)DAC靜態(tài)技術(shù)規(guī)格為積分非線性 (INL)，它是DAC真實(shí)轉(zhuǎn)換函數(shù)到理想轉(zhuǎn)換函數(shù)輕微偏離的測量值（圖8）。積分非線性、線性誤差、或者INL是DNL誤差的最高值。這個(gè)技術(shù)規(guī)格使用最優(yōu)直線或端到端（端點(diǎn)線性）直線來量化INL，單位為LSB。

圖8

INL技術(shù)規(guī)格定義了最優(yōu)直線或端到端直線與理想DAC轉(zhuǎn)換函數(shù)之間的最差情況距離。

諸如仲裁波形發(fā)生器的應(yīng)用需要有較好的INL。

在數(shù)據(jù)表之間比較技術(shù)規(guī)格

當(dāng)將一個(gè)數(shù)據(jù)表與另一個(gè)數(shù)據(jù)表進(jìn)行比較時(shí)，技術(shù)規(guī)格也許會(huì)有不同的測量單位。例如，在一個(gè)數(shù)據(jù)表中，偏移誤差的單位也許是伏，而在另外一個(gè)數(shù)據(jù)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（百萬分率）之間的轉(zhuǎn)換計(jì)算方法。

表1 技術(shù)規(guī)格單位轉(zhuǎn)換

結(jié)論

DAC的偏移、增益、INL、和DNL運(yùn)行狀態(tài)會(huì)以多種方式影響總體系統(tǒng)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(guī)格的定義，諸如穩(wěn)定時(shí)間、毛刺脈沖和噪聲。