DAC基础知识:静态技术规格

2015-07-02 18:14:23来源: EEWORLD 关键字:DAC
  所有DAC之间的共性就是技术规格的定义以及说明。这篇文章将会论述静态DAC技术规格。静态DAC技术规格包括对DAC在DC域中所具有的特性的描述。在DC域中时,DAC的数字与模拟定时现象不属于这一组技术规格。

  图1

  

  虽然这3个DAC拓扑互不相同,但它们的技术规格与电气描述非常类似。

  一个主要的静态DAC技术规格就是理想转换函数(图2)。在对这个普通转换函数的图示中,可以轻松地体会和理解零代码、偏移、满量程以及增益的定义。一旦你理解了上述概念,差分非线性 (DNL),积分非线性 (INL)以及单调性技术规格也就再次成为理想转换函数的另一个导函数。

  图2

  

  理想DAC转换函数

  图2显示了一个DAC是如何为数字输入代码的一个离散数值生成单个模拟输出值的方式。图中数字输入代码的顺序是单极的,其中代码以标准二进制的方式增加。

  图2中DAC转换函数的模拟范围是从零至模拟输出满量程 (FS) 值。DAC电压基准 (VREF) 建立了转换器的最低有效位 (LSB) 或代码宽度,并且设定了满量程范围 (FSR)。LSB的大小等于VREF/ 2N。

  在图2中,“N”等于转换器的分辨率,而2N等于转换器单个位的数量。DAC所具有的代码的数量等于2N。对于3位转换器来说,代码数量等于23或8。这个理想转换函数的转换公式为VOUT = VREF x (CODE/2N),并且满量程输出电压等于VREF – 1LSB。

  零代码误差

  图3中,DAC的零代码误差是最易理解的静态技术规格。我们假定这个值是针对一个单极、单电源DAC而言的,这个DAC的完全理想最小输出电压为0伏。当将数字0值载入到DAC寄存器中时,零量程误差出现在DAC的模拟输出引脚上。这个误差是由内部输出放大器的输出摆动性能导致的。对于单电源DAC来说,零量程误差始终为正值,而这个技术规格的单位为毫伏或微伏。

  图3

  

  DAC的内部输出放大器因不能达到负电源轨而导致的零误差运行状态。

  偏移误差

  然而,偏移误差是不同的。偏移误差在整个DAC转换曲线的大部分范围内存在。在图4中,在理想转换曲线的每一个代码上,模拟偏移误差都会变化。从图中你能够看到,在沿着x轴的垂直方向上,具有偏移误差的转换曲线与理想曲线的相同程度。这个技术规格的单位通常为毫伏。

  图4

  

  偏移误差可为正,亦可为负,但是它始终以同样的误差影响着每一个代码。

  增益误差

  增益误差这个概念有些难以理解。总的来说,增益误差描述的是理想DAC曲线斜率的变化。图5对这个概念进行了说明。增益误差技术规格通常以FSR的百分比来表示,并且在消除偏移误差之后进行计算。

  图5

  

  DAC的增益误差使理想转换函数绕着零交叉点旋转

  差分非线性

  差分非线性 (INL) 是一个静态技术规格,有时也被称为差分线性。DNL是实际模拟输出步长与1LSB的理想步长值的最大偏离。这在整个实际转换函数曲线上进行评估(图6)。由于每个代码也许都需要调整,所以很难校准这个DAC误差。

  图6

  

  DNL代表每个实际电压输出与理想曲线间的差异。一个12位DAC DNL误差曲线,其中x轴等于DAC代码(0至4095),而y轴等于DNL。

  例如,一个对于1 LSB数字代码变化发生1.5 LSB输出改变的DAC表现出0.5 LSB的差分非线性。DNL大于1也许说明存在缺失的代码。差分非线性的测量单位为分数位或满量程的百分比。出现DNL问题的DAC所生成的误差会影响到增益控制应用。

  单调性

  作为一名音乐家,我从来都不理解这个术语的来源。在音乐领域,单调的定义就是只有一个音调。但接下来我们要从另外一个角度来看看这个DAC技术规格的定义。

  少于 -1 LSB的差分非线性为DAC产生一个非单调转换函数(图7)。如果DAC是非单调的,那么DAC模拟输出的振幅小于数字输入代码的增加量,反之亦然。

  图7

  

  非单调DAC运行状态在模数转换关系中出现反转。

  一个DAC所表现出的任何非单调运行状态无法确定是否会对系统造成影响。例如,在音频应用中,听众能够听到一个短暂的较小的模拟输出电压,而无法察觉较大的输入代码。在另外的应用中,这会是一个很明显的问题,有可能导致系统振荡。例如,在一个DC电机控制系统中,相对于输入代码的增加而产生的模拟输出电压减少,也许很容易地被误解为系统将通过减少输入代码来执行校正。

  积分非线性

  另外一个DAC静态技术规格为积分非线性 (INL),它是DAC真实转换函数到理想转换函数轻微偏离的测量值(图8)。积分非线性、线性误差、或者INL是DNL误差的最高值。这个技术规格使用最优直线或端到端(端点线性)直线来量化INL,单位为LSB。

  图8

  

  INL技术规格定义了最优直线或端到端直线与理想DAC转换函数之间的最差情况距离。

  诸如仲裁波形发生器的应用需要有较好的INL。

  在数据表之间比较技术规格

  当将一个数据表与另一个数据表进行比较时,技术规格也许会有不同的测量单位。例如,在一个数据表中,偏移误差的单位也许是伏,而在另外一个数据表中,单位也许是LSB或FSR的百分比。表1提供了在LSB、伏、FSR百分比和PPM(百万分率)之间的转换计算方法。

  表1

  

  技术规格单位转换

  结论

  DAC的偏移、增益、INL、和DNL运行状态会以多种方式影响总体系统的有效性。但是,还有很多其它的影响因素。在这个DAC系列的第4部分,我们将涉及动态技术规格的定义,诸如稳定时间、毛刺脉冲和噪声。

  参考文献

  · “使你的DAC更精确”,Baker,Bonnie,EDN,2006年10月26日

  · “缩小差距:DAC应用教程 (SNAA129),”McCulley,Bill,德州仪器 (TI)

  · “缩小差距(第3部分):DAC应用回顾,”McCulley,Bill,EETimes Europe,2010年7月6日

关键字:DAC

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2015/0702/article_26459.html
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