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高精度实验室系列:数模转换器 (DAC)
这些按需课程和教程包括有关器件架构的介绍性概念,以及利用理论和实践知识解决应用特定问题的高级方法。行业专家介绍每个主题,从而帮助缩短设计时间并快速从概念验证转向产品化。DAC(数模转换器)课程分为几个主要的主题学习类别,每个类别都包含简短培训视频、选择题测验和简短回答练习。
Precision DAC essentials
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大家好,欢迎观看 TI 高精度实验室视频, 本视频介绍精密 DAC 的 一些基本术语和定义。
在本实验室中,我们 将介绍组成精密 DAC 的元件以及 根据输入代码 计算输出电压的 一些方法。
此外,我们还将定义 一些用于描述 DAC 性能的参数,并介绍 精密 DAC 的主要架构。
最后,我们将讨论 大多数信号链应用中 DAC 所处的位置。
首先,我们看一个 非常基础的问题。
什么是 DAC? DAC 或数模转换器 获取数字输入 并根据基准值 将其转换为 已知的模拟输出。
实际上,DAC 从某种 微控制器获取数字输入, 并通过对系统产生 某种所需的更改 将数字输入 转换为实际操作。
这些操作可用于 校准系统、设置 偏置点或创建任意波形。
为了帮助我们了解 DAC 如何完成该操作, 我们先了解一下 DAC 本身包含的一些模块。
每个 DAC 都有 某种数字接口。
主机利用该接口来 设置 DAC 的输入值。
一般来说,该接口 通常是并行总线、 I2C 总线或 SPI 总线。
有些器件甚至可以 支持多种总线类型。
接下来,我们有 DAC 输入寄存器。
该寄存器存储 当前正在写入 器件的值。
另一个需要理解的 重要概念是所有 DAC 都需要某种基准电压。
该基准电压可以 从外部提供给器件, 有时也可以由器件 本身从内部提供。
该电压按比例除以 电阻梯以确定输出。
有时,器件具有 基准缓冲器, 它将电压基准 与电阻梯产生的 阻性负载相隔离。
电阻梯可以是多种架构 类型中的一种,我们 稍后将介绍这些架构。
最后,一些器件 包含输出缓冲器, 用于将电阻梯的 高阻抗输出与器件输出 相隔离。
这使输出能够驱动 比电阻梯本身驱动的 负载更低的负载。
现在,我们来定义 一些通常与精密 DAC 相关的关键术语, 其中第一个是“分辨率”。
分辨率是数字域中 可用于表示模拟 输出信号的输入 位数。
通常,该值介于 8 位和 20 位之间。
DAC 代码是一个 数字输入值,代码 总数描述了 DAC 输出可以 生成的离散阶跃数。
我们看几个相关示例。
如果您添加一个 8 位 DAC, 则意味着您拥有 2 的 8 次方个输入代码。
这是从 0 到 255 的 256 个离散级别。
如果您有一个 16 位 DAC, 这意味着您将有 2 的 16 次方个输入代码, 即大约 65,000 个代码。
范围为 0 至 65,535。
接下来,我们讨论基准电压 和最低有效位大小。
基准电压是 DAC 对其除以 比例系数的基准电平。
一些 DAC 的输出 范围从 0 伏到基准 电压不等,而其他 DAC 则具有由输出缓冲器 提供的额外增益。
基准电压与 DAC 的 分辨率相结合, 决定了 LSB 或 最低有效位、权重 或输出阶跃大小。
这通常表示为 VLSB。
VLSB 的计算方法 是将输出缓冲器的 增益乘以基准值 再除以 2 的 n 次方, 其中 n 是 DAC 的分辨率。
对于增益为 1 伏/伏、 VREF 为 5 伏的 DAC, 我们可以说 8 位 LSB 大小为 1 乘以 5 伏再除以 256, 即大约 20 毫伏。
对于 16 位 DAC, VLSB 大约为 75 微伏。
现在,我们看看 DAC 的理想传递函数, 并用一个图直观地 展示先前介绍的 术语之间的关系。
此处,x 轴显示输入到 DAC 的数字代码。
y 轴显示 相应的输出电压。
分辨率等于 n, 可以在 x 轴上看到。
在本例中,我们 看到总共有 8 位, 从而提供 8 位 DAC 的输出。
代码位于 x 轴上, 每个单独的代码 都会在输出上 递增一个阶跃。
您会注意到代码 以二进制形式向上计数。
如果您对二进制 不熟悉或有点生疏, 我们将在本演示文稿的 后面部分进行简要介绍。
基准电压位于 y 轴顶部。
除了直接影响 LSB 大小之外, 基准电压还限制了 DAC 的可能输出。
LSB 是每个阶跃的高度。
对于该具有 5 伏 基准的 8 位 DAC, 每个代码都会使 输出增加约 19 毫伏。
满量程代码是可以 写入的最大代码。
这受到器件 分辨率的限制。
此处的满量程代码为 255。
满量程电压是 DAC 在最高可能 代码下的电压输出。
在此处,该电压 大约为 4.98 伏。
传递函数是描述 输入代码和输出 之间的关系的一种 便捷方法。
您可以利用它来确定 任何代码的输出电压。
介绍完定义之后,我们看看 从输入代码转换为 输出电压的计算。
对于具有 10 伏基准 电压的 8 位单极 DAC, 当输入代码为 10100011 时, 理想的输出电压是多少? 我们先看一下公式。
此处我们看到,VOUT 等于 VREF 乘以代码 再除以代码总数,或者 2 的系统位数次方。
为了求解电压, 我们首先需要 将二进制值转换为 十进制值。
这可以通过将 位值乘以该位的 权重来完成。
在本例中,我们得到 163。
将这些值输入到 上面的公式中, 我们可以看到输出 电压将为 6.367 伏。
相反,我们可以 采用类似的策略 将电压重新 转换为输入代码。
对于具有 5 伏基准 电压的 8 位单极 DAC, 生成 1.718 伏输出 电压所需的二进制 输入代码是多少? 为此,我们使用以下公式, 其中十进制代码 等于输出电压 乘以总位数 再除以基准。
将这些值输入到 我们的公式中, 我们可以看到输入 代码应该约为 88。
现在,我们将 88 重新转换为二进制。
通过计算每个位权重, 我们可以确定该值为 01011000。
如果将其输入到 指定的 DAC 中, 理想情况下您会 看到 1.718 伏。
现在我们已经介绍了 一些基础知识,接下来 我们来看看采用 电阻梯的一些 DAC 架构。
首先要考虑的 架构是串式 DAC, 或者有时称为 开尔文分压器 DAC。
串式 DAC 是实现 DAC 的 最简单方法之一, 它只是串联电阻器的 集合,每个电阻器之间 有开关点或抽头节点。
当应用数字输入代码时, 选定的抽头节点 将发生变化,并由 输出缓冲器进行缓冲。
随着分辨率的 提高,电阻器串中 电阻器的数量 也会呈指数级增加。
一般来说,n 位 DAC 将 具有 2 的 n 次方个电阻器。
因此,串式 DAC 在较高分辨率下 效率较低。
关于串式 DAC 的 第一个注意事项是, 从基准节点进行观察, 输入阻抗保持不变。
其他架构将具有 与代码相关的动态 输入阻抗。
虽然一般来说所有 基准都应该被缓冲, 但串式 DAC 对于 未缓冲的基准更宽容, 因为该负载是恒定的。
另外需要注意的是, 所有电阻器 串联时,电阻器串的 阻抗将非常高。
因此,串式 DAC 往往具有较低的功耗。
串式 DAC 的线性度 有点受限,因为它 很大程度上 取决于电阻器串的 电阻器匹配。
这些电阻器中的每个 电阻器都不完全相同。
后续代码转换 可能大于或小于 一个 LSB。
串式 DAC 的最后 一个也是最微妙的 元件是串电阻器 和抽头点之前的 分压器,即 RDIVIDER。
该电阻器等于串中 其余电阻器的等效阻抗, 可有效地将 基准输入减半。
这样做是为了使输出 缓冲器的共模输入要求 保持在非常低的水平, 并在提供良好性能的 同时保持较低的成本。
为了补偿这一点, 输出缓冲器通常 具有同相增益 2, 有时可以通过 数字控制电阻器 来改变该增益。
现在,我们来 看看 R-2R DAC 架构。
R-2R DAC 是一种 比串式 DAC 更复杂的 DAC 实现方法。
R-2R DAC 的主要优点是 实现该设计所需的 电阻器数量少于串式 DAC。
对于每个分辨率位, 只需要一个 R 和 2R 对。
可以直观地将 R-2R DAC 视作 二进制加权分压器。
2R 桥臂与每个 串联的 R 电阻器并联, 产生二进制权重。
因此,我们只需 为每个分辨率位 使用一个开关。
该开关连接到 接地端或基准 电压。
由于设计中存在的 电阻器较少,因此 可以实现更复杂的 修整技术,与串式 DAC 相比, 这提高了线性度。
对于转换器 LSB 处的 电阻器不匹配情况, 同样不一定需要匹配, 因为分压器的 二进制加权特性 减小了其影响。
如果我们研究 R-2R DAC 的拓扑, 应该注意的是, 与串式 DAC 不同, 基准看到的 阻抗不是恒定的。
如果观察每个 R-2R 桥臂的开关, 您会发现它们 要么接入 VREF 节点, 要么接入接地节点。
因此,动态 输出与代码相关。
通常,不希望基准源 看到阻抗的动态变化, 因为基准源 需要更多时间 才能稳定到新的阻抗值。
如果应用要求在代码 之间进行快速循环, 则可能没有时间 等待基准以新电压 稳定下来。
因此,强烈建议 任何 R-2R DAC 应用 都包含一个基准缓冲器。
某些 R-2R DAC 可能 具有一个内置缓冲器 来帮助驱动基准。
这种设计的缺点是 在各个代码之间, 多个开关可能 会发生变化。
这可能会导致 比串式 DAC 更高的 干扰能量。
导致更高干扰 能量的另一个因素 是 R-2R DAC 中 存在的“先断后合”开关, 其实施是为了 避免短暂地 将基准与接地端短接。
由于电路中存在 寄生电容和电感, 这种瞬时开关 会导致更高的 干扰能量。
我们将介绍的 最后一种架构 是乘法 DAC 或 MDAC。
这看起来应该非常熟悉, 因为其架构与我们刚刚 介绍的 R-2R DAC 非常相似。
主要区别在于 基准和输出 交换了位置。
由于此交换,该电路现在 采用了二进制 加权分流器配置。
与 R-2R DAC 不同, MDAC 不会将基准 暴露于动态负载条件下。
许多应用仍然 需要电压输出。
通过在 MDAC 的电流 输出端实施一个跨阻 放大器有助于 实现这一点。
跨阻放大器需要 在反馈中使用 一个电阻器。
大多数 MDAC 都在设计中 配备了该电阻器, 因此它可以与 R-2R 电阻梯精确匹配。
通常,器件中 不包含输出放大器, 以便为设计人员的 应用提供最大的灵活性。
如果设计人员 需要实现动态 或任意波形 生成类型的应用, 可以选择高速放大器。
通常,第二个 IOUT 接地。
MDAC 有很多优点。
它们具有与 R-2R DAC 相同的高线性 规格,通常噪声较低, 稳定速度快, 并且与 R-2R 相比, 干扰也较低。
主要缺点是输出总是 相对于基准电压反相。
它还需要跨阻 放大器,这可能 会导致额外的成本。
至此,我们已经 介绍完精密 DAC 的 最基本概念。
总的来说,我们介绍了 精密 DAC 的基本元件, 还介绍了一些计算方法, 用于确定 VLSB 大小并根据输入 代码计算输出电压。
此外,我们还定义了 DAC 输出的理想 传递函数的 一些关键术语。
最后,我们讨论了 一些 DAC 架构, 例如串式 DAC、 R-2R DAC 和 MDAC。
接下来,我们做一个小测验, 回顾我们今天学习的内容。
问题 1:串式 DAC 架构相对于 R-2R DAC 架构有何优势? 是 A. 需要更少的 电阻器、B. 与代码 相关的基准负载、C. 更低的 代码对代码干扰还是 D. 更低的噪声? 答案是 C. 更低的 代码对代码干扰。
串式 DAC 的代码 对代码干扰通常 比 R-2R DAC 低得多。
问题 2:理想的 7 位 DAC 可以产生多少个 唯一的输出电压? 是 A. 49、B. 64、 C. 128 还是 D. 256? 答案是 C. 128。
唯一的输出电压的 数量等于 2 的 n 次方, 其中 n 是 DAC 的 分辨率位数, 在本例中为 7。
因此该数量是 2 的 7 次方或 128。
问题 3:如果您的输出为 1.25, 并且具有 5 伏基准 电压和一个 14 位 DAC, 那么您的直接二进制 输入代码是什么? 使用我们之前 定义的公式,可以 看到输入代码是 4,096。
将其转换为二进制, 我们看到答案是 A。
问题 4:如果将二进制 1000 值写入 基准电压为 5 伏的 4 位 DAC, 输出电压是多少? A. 2.666 伏、B. 2.5 伏 还是 C. 2.175 伏? 答案是 B。使用我们 之前定义的另一个公式, 可以看到输出 等于基准乘以 8 再除以 16。
结果为 2.5 伏。
该有关精密 DAC 基础知识的 TI 高精度实验室 视频到此结束。
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谢谢。