数字码与模拟量之间
数模转换器,英文 Digital-to-analog converter,简称 DAC,是按输入数字码产生相应模拟电压或电流的器件或电路。它不是音频文件格式,也不是仅把压缩数据还原为数字样本的解码软件。数字系统必须经过这样的模拟接口,才能把数值变成外部电路可使用的电信号。
以一种理想的单极性、直二进制 DAC 为例,输出等于参考电压乘以输入整数码,再除以二的位数次方。四位器件有十六个码;参考为4.096伏时,相邻理想等级间隔0.256伏,最大码对应3.84伏,而非恰好等于参考电压。具体器件也可能采用双极性范围、不同编码和输出增益,不能把这个例子当成所有产品的接口定义。
开关如何形成权重
在二进制加权结构中,各位控制不同权重的电流或电阻支路,组合结果决定输出。最高有效位的贡献大于最低有效位;数字输入改变时,开关选择哪些贡献参与合成。困难不在二进制算术,而在物理器件能否保持精确比例,特别是温度变化时各支路是否一致。
R-2R梯形网络只使用两种阻值,比例为二比一,再通过重复结构形成不同位权。电压模式下,各支路在参考电压与地之间切换,从梯形网络端部取出输出。减少阻值种类有利于制造和修调,但并不取消电阻失配、开关影响及参考源驱动要求。参考源本身漂移或受到负载扰动,输出尺度也会随之改变。
参考:[1]
分辨率不是准确度
分辨率描述数字等级有多细。同样的输出范围内,位数越多,理想一步越小,但输出未必更接近目标值。偏移误差会使特性整体平移,增益误差会改变尺度;微分非线性考察相邻实际步长偏离理想一步的程度,积分非线性则考察传输特性偏离规定直线的程度。比较后者时,还须注意直线采用端点法还是最佳拟合。
建立时间是发出更新命令后,输出进入规定最终误差范围所需的时间,不只是数字接口传完数据的时间。输出放大器的转换速率、过冲和振铃都可能影响它。因此,位数、更新速率、建立时间与准确度是不同指标,不能拿其中一个替代整个模拟输出能力。
参考:[2]
阶梯输出与重建滤波
若 DAC 在两次更新之间保持一个样本值,输出会呈阶梯状。这种保持并未自动还原样本之间的一切变化;采样所产生的频谱镜像仍须处理。用于波形重建的模拟滤波器保留所需频带、衰减采样频率整数倍附近的镜像,而不是简单地“去掉数字时钟”。
保持过程还会带来随频率变化的幅度衰减,系统有时需要相应补偿。最终波形既取决于数字样本,也取决于 DAC 的动态误差及后级滤波。滤波可以限制不需要的频率成分,却不能凭空补回采样前已经丢失的信息,更不能仅凭阶梯被抹平就宣称信号已被无误恢复。
参考:[3]