數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的工程師指南

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是連接模擬和數(shù)字世界的重要電路，在大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)中，您都會(huì)發(fā)現(xiàn)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換，從物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器到無線網(wǎng)絡(luò)，從智能家居自動(dòng)化到電源，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換無處不在。在本文中，我們將分析數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的體系架構(gòu)，研究這些轉(zhuǎn)換器的工作原理，并解釋工程師在選擇轉(zhuǎn)換器時(shí)應(yīng)考慮的關(guān)鍵術(shù)語。我們也會(huì)列舉一系列典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），以說明不同的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，并展示它們的功能。
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連接模擬和數(shù)字世界

我們周圍是一個(gè)模擬世界，溫度、濕度和氣壓等環(huán)境因素都是模擬測(cè)量值。例如，要在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，需要將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。數(shù)字處理信息是一種方便、快速、高能效的過程，低成本的微控制器即是理想的選擇方案。
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與模數(shù)轉(zhuǎn)換過程相反的是數(shù)模轉(zhuǎn)換，一些應(yīng)用案例會(huì)同時(shí)使用兩種轉(zhuǎn)換方法。例如，智能家庭揚(yáng)聲器必須收聽語音命令和根據(jù)響應(yīng)進(jìn)行回放。將人的語音轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻流，然后由基于云端的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行解釋，付諸行動(dòng)，然后將回復(fù)或所需音樂發(fā)送回?fù)P聲器，并轉(zhuǎn)換為模擬域。
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ADC和DAC工作原理

圖1所示為一個(gè)簡(jiǎn)單的工業(yè)過程閉環(huán)控制器功能框圖，其中包含有ADC和DAC。該控制器的信號(hào)調(diào)節(jié)功能支持ADC和DAC的輸入和輸出，信號(hào)調(diào)節(jié)鏈路還可以包括在ADC輸入上使用低通濾波器，能夠從期望的模擬信號(hào)中去除可能干擾ADC轉(zhuǎn)換精度的所有高頻信號(hào)偽影（artefacts）。其他信號(hào)調(diào)節(jié)部件可以限制采集的模擬信號(hào)輸入范圍，以防止損壞ADC和用于電隔離傳感器與ADC/DAC的電路。
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圖1：工業(yè)過程回路控制器中的ADC和DAC使用。（來源：Analog Devices）

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在使用多個(gè)模擬傳感器的情況下，ADC輸入可以被多路復(fù)用，這種技術(shù)能夠?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/soft/data/4-10/" target="_blank">控制電路設(shè)計(jì)提供一種高性價(jià)比的方法。這種設(shè)計(jì)可能需要可編程增益放大器，以適應(yīng)來自多個(gè)傳感器的不同模擬輸入范圍（參見圖2）。
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圖2：采用微控制器或微處理器的完整模擬-數(shù)字-模擬控制回路。（來源：Analog Devices）

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ADC和DAC的功能可以通過使用分立元件方法來實(shí)現(xiàn)。然而，最節(jié)省時(shí)間和PCB空間的方法是選擇通常包括ADC或DAC功能、多路復(fù)用器和一些信號(hào)調(diào)節(jié)組件的集成電路。
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模數(shù)轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)包括兩個(gè)明顯的過程，采樣和量化。
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采樣發(fā)生在連續(xù)時(shí)域中，并能夠確定數(shù)字輸出信號(hào)如何能夠保真地代表輸入模擬信號(hào)。對(duì)于緩慢變化的模擬信號(hào)，較為緩慢的采樣率就以足夠，但快速變化的輸入需要更快的采樣率（參見圖3）。采樣通常采用每秒采樣數(shù)（s/s）。
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在圖3中右側(cè)，模擬輸入信號(hào)的變化比采樣率快很多，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換精度降低。
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圖3：采樣率對(duì)數(shù)字輸出信號(hào)再現(xiàn)的影響。（來源：Kuphaldt - http://www.ibiblio.org/))

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量化則決定了每個(gè)數(shù)字位的模擬值。分辨率是選擇ADC時(shí)需要考慮的第二個(gè)基本屬性。例如，8位ADC可以用256級(jí)表示輸入信號(hào)，但16位ADC則將分辨率提高到65536級(jí)，因此與8位ADC相比，每個(gè)數(shù)字位代表256個(gè)模擬值。通常，特定的應(yīng)用案例決定ADC分辨率和采樣率的選擇標(biāo)準(zhǔn)（參見圖4）。
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圖4：量化過程確定了每個(gè)數(shù)字位的值和ADC分辨率。（來源：Analog Devices）

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數(shù)字轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)知識(shí)

同樣的采樣和量化概念也適用于數(shù)模轉(zhuǎn)換。每個(gè)量化值由二進(jìn)制數(shù)字代碼創(chuàng)建。通常，最簡(jiǎn)單的DAC采用二進(jìn)制加權(quán)架構(gòu)，使用由高精度電阻器構(gòu)建的分壓器提供輸出信號(hào)（參見圖5），這種結(jié)構(gòu)稱為電阻串DAC。
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圖5：使用精密電阻串創(chuàng)建分壓器，以從數(shù)字輸入創(chuàng)建模擬輸出。（來源：Analog Devices）

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圖6：一個(gè)3位DAC的模擬輸出歸一化為數(shù)字部分。（來源：Analog Devices）

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基本數(shù)據(jù)表中的ADC和DAC術(shù)語

除了上面強(qiáng)調(diào)的采樣率和量化之外，下面是在選擇ADC和DAC時(shí)會(huì)遇到的一些其它術(shù)語。
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分辨率：量化決定DAC/ADC的分辨率，最好用數(shù)字位的模擬值來加以說明。考慮測(cè)量最大值為5VDC的電壓，在8位ADC中，與16位輸出76μV（5/65535）相比，最低有效位（LSB）等于19.5mV（5/256）。
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積分非線性（INL）誤差：該誤差表示轉(zhuǎn)換器在從零到滿量程范圍內(nèi)線性偏離直線程度。良好的INL表明轉(zhuǎn)換器可以將數(shù)字正弦波轉(zhuǎn)換為可靠的模擬呈現(xiàn)（參見圖7）。
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圖7：與整體傳遞函數(shù)相比，ADC的最佳擬合線示意圖。（來源：Analog Devices)

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增益誤差：增益誤差用來表示傳遞函數(shù)斜率反映理想傳遞曲線的準(zhǔn)確程度（參見圖7）。
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微分非線性（DNL）誤差：DNL表示每個(gè)數(shù)字步長之間的差值。一個(gè)好的DNL意味著好的分辨率，而且數(shù)字步長保持一致（參見圖8）。
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圖8：微分非線性誤差存在于各個(gè)數(shù)字步長之間。（來源：Analog Devices）

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偏移誤差：也稱為零標(biāo)度誤差，表示ADC或DAC的傳遞函數(shù)與理想傳遞特性的比較。在DAC中，當(dāng)數(shù)字輸入全部為零時(shí)，產(chǎn)生了模擬輸出，就會(huì)發(fā)生偏移誤差。對(duì)于ADC，當(dāng)模擬輸入為零時(shí)，所有數(shù)字輸出應(yīng)為零
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流行的ADC和DAC架構(gòu)

模數(shù)轉(zhuǎn)換

每種模數(shù)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)都具有其適合于某特定應(yīng)用的屬性，重要考慮因素涉及成本（設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單性）、分辨率或線性度等。
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Flash架構(gòu)采用時(shí)鐘比較器的并行陣列將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，每個(gè)比較器的輸入包括信號(hào)和來自階梯電阻參考電壓的設(shè)定部分（參見圖8）。Flash架構(gòu)能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，但它需要8個(gè)比較器用于8位ADC，這也施加了高輸入電容。
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圖9：Flash ADC的概要架構(gòu)。（來源：Analog Devices）

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流水線架構(gòu)通常將轉(zhuǎn)換過程分為兩個(gè)階段，每個(gè)階段包括采樣和保持、DAC和ADC。在轉(zhuǎn)換周期開始時(shí)，第一個(gè)采樣成為最高有效位（MSB），然后將其反饋并從輸入信號(hào)中減去剩余采樣，該過程會(huì)持續(xù)進(jìn)行到從MSB到LSB的每個(gè)數(shù)字位。這種架構(gòu)速度不如Flash ADC快，但可以適應(yīng)寬動(dòng)態(tài)范圍輸入信號(hào)，并能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率。然而，流水線過程也引入了轉(zhuǎn)換延遲，這可能不適合某些應(yīng)用。
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逐次逼近寄存器（SAR）架構(gòu)是將輸入信號(hào)與已知參考電壓進(jìn)行比較（參見圖10），對(duì)于從MSB到LSB的每個(gè)數(shù)字位，需要連續(xù)針對(duì)較小參考電壓進(jìn)行比較。如果模擬輸入大于參考值，則可設(shè)定每個(gè)位；如果小于該值，則保持為零并繼續(xù)到下一數(shù)字位。SAR ADC的優(yōu)點(diǎn)包括無流水線架構(gòu)的延遲，并且由于只需要一個(gè)比較器，所以芯片尺寸非常緊湊。然而，其精度則取決于DAC線性度和相關(guān)比較器噪聲。
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圖10：逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器示意圖。（來源：Analog Devices）

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∑-Δ架構(gòu)：這種架構(gòu)利用積分器、比較器和一位DAC來創(chuàng)建∑-Δ調(diào)制器（參見圖11）。調(diào)制器從DAC中減去一個(gè)值，并將結(jié)果反饋給積分器。比較器獲取積分器輸出并將其轉(zhuǎn)換為單位數(shù)字輸出，然后反饋至輸入。這種架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率，并且能夠以快速的“過采樣”速率操作。
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圖11：∑-Δ 型ADC的架構(gòu)。（來源：Analog Devices）

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數(shù)模轉(zhuǎn)換

除了上面強(qiáng)調(diào)的電阻串架構(gòu)之外，R-2R梯形DAC是另一種流行的架構(gòu)（參見圖12）。R-2R梯形圖能夠簡(jiǎn)化與電阻串DAC相關(guān)的匹配難題，只需要兩個(gè)2:1比例的電阻值。該架構(gòu)適合電壓或電流輸出配置。在電壓模式R-2R DAC中，電阻器在參考電壓和接地之間切換。電阻器梯形圖的每個(gè)鏈提供二進(jìn)制縮放輸出電壓，相加的總和為模擬輸出。
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圖12：R-2R梯形DAC的基本架構(gòu)。（來源：Analog Devices）

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上面討論的所有DAC架構(gòu)都使用固定參考電壓和固定增益。然而，乘法DAC（MDAC）架構(gòu)可為寬動(dòng)態(tài)范圍模擬信號(hào)提供數(shù)字可變?cè)鲆?，它使用R-2R梯形結(jié)構(gòu)和可編程增益運(yùn)算放大器。這種方法為MDAC提供了用作基于DAC衰減器或放大器的功能，并且非常適合于高帶寬AC或變化的DC信號(hào)。
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數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器示例

德州儀器（Texas Instruments） ADC354x系列是低噪聲、超低功耗14位高速ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)65M/s的采樣速率。該轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)時(shí)鐘周期的延遲、900MHz的輸入帶寬、±0.6 LSB的INL和±0.1 LSB的DNL，適用于軟件定義無線電、熱成像和儀器儀表等各種低功耗應(yīng)用。
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基于SAR的ADC的一個(gè)例子是Analog Devices AD7380/AD7381系列4Ms/s雙采樣16位或14位轉(zhuǎn)換器，它具有差分輸入、1 LSB INL（14位）和寬共模輸入電壓，適用于電機(jī)控制感測(cè)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和聲納等應(yīng)用，相應(yīng)的評(píng)估板EVAL-AD7380FMCZ/EVAL-AD7381FMCZ可幫助進(jìn)行多通道、同時(shí)采樣原型制作。
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DAC的一個(gè)范例是Analog Devices/Maxim Integrated MAX22007，這種四通道模擬輸出IC適用于各種工業(yè)和建筑自動(dòng)化應(yīng)用。它能夠配置為電壓或電流模式輸出，每個(gè)通道可以提供0～10.5V的線性輸出電壓或0～21mA的線性電流。
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Texas Instruments DACx3401-Q1是一款緊湊型8引腳WSON封裝汽車級(jí)DAC，該器件有8位或10位可選，能夠提供1 LSB INL和DNL線性、寬電源電壓范圍（1.8～5.5VDC）和0.36mW@1.8V低功耗特性。
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開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

在本文中，我們探討了如何實(shí)現(xiàn)模擬域和數(shù)字域之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)要介紹了數(shù)據(jù)表中一些重要術(shù)語，并分析了流行的轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。通過這些信息，讀者將能夠更好地了解模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的工作方式、每種架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)以及在選擇器件時(shí)需要查看的重要數(shù)據(jù)表參數(shù)。
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