DAC基础知识：静态技术规格

　　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