AD/DA的分類與主要技術(shù)指標(biāo)

　　1. AD轉(zhuǎn)換器的分類

　　下面簡(jiǎn)要介紹常用的幾種類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(diào)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(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度信號(hào))或頻率(脈沖頻率),然后由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器獲得數(shù)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(zhuǎn)換精度依賴于積分時(shí)間,因此轉(zhuǎn)換速率極低。初期的單片AD轉(zhuǎn)換器大多采用積分型,現(xiàn)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(zhuǎn)換器通過(guò)逐次比較邏輯構(gòu)成,從MSB開始,順序地對(duì)每一位將輸入電壓與內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較,經(jīng)n次比較而輸出數(shù)字值。其電路規(guī)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(zhuǎn)換,又稱FLash(快速)型。由于轉(zhuǎn)換速率極高,n位的轉(zhuǎn)換需要2n-1個(gè)比較器,因此電路規(guī)模也極大,價(jià)格也高,只適用于視頻AD轉(zhuǎn)換器等速度特別高的領(lǐng)域。

　　串并行比較型AD結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器配合DA轉(zhuǎn)換器組成,用兩次比較實(shí)行轉(zhuǎn)換,所以稱為 Half flash(半快速)型。還有分成三步或多步實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的叫做分級(jí)（Multistep/Subrangling）型AD,而從轉(zhuǎn)換時(shí)序角度又可稱為流水線（Pipelined）型AD,現(xiàn)代的分級(jí)型AD中還加入了對(duì)多次轉(zhuǎn)換結(jié)果作數(shù)字運(yùn)算而修正特性等功能。這類AD速度比逐次比較型高,電路規(guī)模比并行型小。

　　4）Σ-Δ(Sigma/FONT>delta)調(diào)制型（如AD7705）

　　Σ-Δ型AD由積分器、比較器、1位DA轉(zhuǎn)換器和數(shù)字濾波器等組成。原理上近似于積分型,將輸入電壓轉(zhuǎn)換成時(shí)間(脈沖寬度)信號(hào),用數(shù)字濾波器處理后得到數(shù)字值。電路的數(shù)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(cè)量。

　　5）電容陣列逐次比較型

　　電容陣列逐次比較型AD在內(nèi)置DA轉(zhuǎn)換器中采用電容矩陣方式,也可稱為電荷再分配型。一般的電阻陣列DA轉(zhuǎn)換器中多數(shù)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(zhuǎn)換器。最近的逐次比較型AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率,然后用計(jì)數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)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)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)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(jì)數(shù)電路共同完成AD轉(zhuǎn)換。

　　2. AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

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

　　2）轉(zhuǎn)換速率(Conversion Rate)是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的AD轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間的倒數(shù)。積分型AD的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)屬低速AD,逐次比較型AD是微秒級(jí)屬中速AD,全并行/串并行型AD可達(dá)到納秒級(jí)。采樣時(shí)間則是另外一個(gè)概念,是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn)換的正確完成,采樣速率(Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)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AD的有限分辯率而引起的誤差,即有限分辯率AD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無(wú)限分辯率AD（理想AD）的轉(zhuǎn)移特性曲線（直線）之間的最大偏差。通常是1 個(gè)或半個(gè)最小數(shù)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(hào)為零時(shí)輸出信號(hào)不為零的值,可外接電位器調(diào)至最小。

　　5）滿刻度誤差(Full Scale Error) 滿度輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)與理想輸入信號(hào)值之差。

　　6）線性度(Linearity) 實(shí)際轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)移函數(shù)與理想直線的最大偏移,不包括以上三種誤差。

　　其他指標(biāo)還有：絕對(duì)精度(Absolute Accuracy) ,相對(duì)精度(Relative Accuracy),微分非線性,單調(diào)性和無(wú)錯(cuò)碼,總諧波失真（Total Harmonic Distotortion縮寫THD）和積分非線性。

　　3. DA轉(zhuǎn)換器

　　DA轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路構(gòu)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(yùn)算等進(jìn)行分類。大多數(shù)DA轉(zhuǎn)換器由電阻陣列和n個(gè)電流開關(guān)(或電壓開關(guān))構(gòu)成。按數(shù)字輸入值切換開關(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(nèi)部的。一般說(shuō)來(lái),由于電流開關(guān)的切換誤差小,大多采用電流開關(guān)型電路,電流開關(guān)型電路如果直接輸出生成的電流,則為電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器,此外,電壓開關(guān)型電路為直接輸出電壓型DA轉(zhuǎn)換器。

　　1）電壓輸出型（如TLC5620）

　　電壓輸出型DA轉(zhuǎn)換器雖有直接從電阻陣列輸出電壓的,但一般采用內(nèi)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(fù)載,由于無(wú)輸出放大器部分的延遲,故常作為高速DA轉(zhuǎn)換器使用。

　　2）電流輸出型(如THS5661A)

　　電流輸出型DA轉(zhuǎn)換器很少直接利用電流輸出,大多外接電流—電壓轉(zhuǎn)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(fù)載電阻而進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換,二是外接運(yùn)算放大器。用負(fù)載電阻進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換的方法,雖可在電流輸出引腳上出現(xiàn)電壓,但必須在規(guī)定的輸出電壓范圍內(nèi)使用,而且由于輸出阻抗高, 所以一般外接運(yùn)算放大器使用。此外,大部分CMOS DA轉(zhuǎn)換器當(dāng)輸出電壓不為零時(shí)不能正確動(dòng)作,所以必須外接運(yùn)算放大器。

　　當(dāng)外接運(yùn)算放大器進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換時(shí),則電路構(gòu)成基本上與內(nèi)置放大器的電壓輸出型相同,這時(shí)由于在DA轉(zhuǎn)換器的電流建立時(shí)間上加入了達(dá)算放入器的延遲,使響應(yīng)變慢。此外,這種電路中運(yùn)算放大器因輸出引腳的內(nèi)部電容而容易起振,有時(shí)必須作相位補(bǔ)償。

　　3）乘算型（如AD7533）

　　DA轉(zhuǎn)換器中有使用恒定基準(zhǔn)電壓的,也有在基準(zhǔn)電壓輸入上加交流信號(hào)的,后者由于能得到數(shù)字輸入和基準(zhǔn)電壓輸入相乘的結(jié)果而輸出,因而稱為乘算型DA轉(zhuǎn)換器。乘算型DA轉(zhuǎn)換器一般不僅可以進(jìn)行乘法運(yùn)算,而且可以作為使輸入信號(hào)數(shù)字化地衰減的衰減器及對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制器使用。

　　4）一位DA轉(zhuǎn)換器

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

　　4. DA轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

　　1）分辯率(Resolution) 指最小模擬輸出量（對(duì)應(yīng)數(shù)字量?jī)H最低位為‘1’）與最大量（對(duì)應(yīng)數(shù)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(shù)字量轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定模擬信號(hào)所需的時(shí)間,也可以認(rèn)為是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhǎng)。

　　其他指標(biāo)還有線性度(Linearity),轉(zhuǎn)換精度,溫度系數(shù)/漂移。