AD和DA转换器的分类及其主要技术指标

1. AD1. AD 转换器的分类转换器的分类 下面简要介绍常用的几种类型的基本原理及特点： 积分型、逐次 逼近型、并行比较型/串并行型、Σ-Δ 调制型、电容阵列逐次比较型 及压频变换型。 1）积分型（如 TLC7135） 积分型 AD 工作原理是将输入电压转换成时间(脉冲宽度信号)或 频率(脉冲频率),然后由定时器/计数器获得数字值。其优点是用简单 电路就能获得高分辨率 , 但缺点是由于转换精度依赖于积分时间 ,因 此转换速率极低。初期的单片 AD 转换器大多采用积分型,现在逐次 比较型已逐步成为主流。 2）逐次比较型（如 TLC0831） 逐次比较型AD由一个比较器和DA转换器通过逐次比较逻辑构 成,从 MSB 开始,顺序地对每一位将输入电压与内臵DA 转换器输出进 行比较,经 n 次比较而输出数字值。其电路规模属于中等。其优点是 速度较高、功耗低,在低分辩率（12 位）时价格很高。 3）并行比较型/串并行比较型（如 TLC5510） 并行比较型 AD 采用多个比较器,仅作一次比较而实行转换,又称 FLash(快速)型。由于转换速率极高,n 位的转换需要 2n-1 个比较器,因 此电路规模也极大,价格也高,只适用于视频 AD 转换器等速度特别高 的领域。 串并行比较型 AD 结构上介于并行型和逐次比较型之间,最典型 的是由2个n/2位的并行型AD转换器配合DA转换器组成,用两次比 较实行转换,所以称为 Half flash(半快速)型。 还有分成三步或多步实现 AD 转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型 AD,而从转换时序角 度又可称为流水线（Pipelined）型 AD,现代的分级型 AD 中还加入了 对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。 这类 AD 速度比逐次 比较型高,电路规模比并行型小。 4）Σ-Δ(Sigma/FONTdelta)调制型（如 AD7705） Σ-Δ 型 AD 由积分器、比较器、1 位 DA 转换器和数字滤波器等 组成。原理上近似于积分型 ,将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号, 用数字滤波器处理后得到数字值。 电路的数字部分基本上容易单片化, 因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。 5）电容阵列逐次比较型 电容阵列逐次比较型AD在内臵DA转换器中采用电容矩阵方式, 也可称为电荷再分配型。 一般的电阻阵列 DA 转换器中多数电阻的值 必须一致,在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列 取代电阻阵列,可以用低廉成本制成高精度单片 AD 转换器。最近的 逐次比较型 AD 转换器大多为电容阵列式的。 6）压频变换型（如 AD650） 压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式 实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率 ,然后 用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种 AD 的分辨率几乎 可以无限增加,只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积 脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低 ,但是需要外 部计数电路共同完成 AD 转换。 2. AD2. AD 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1）分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变 化量,定义为满刻度与 2n 的比值。 分辩率又称精度,通常以数字信号的 位数来表示。 2）转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的 AD 转换所需的时间的倒数。积分型 AD 的转换时间是毫秒级属低速 AD,逐次比较型AD是微秒级属中速AD,全并行/串并行型AD可达到 纳秒级。采样时间则是另外一个概念 ,是指两次转换的间隔。为了保 证转换的正确完成,采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。 因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受 的。常用单位是 ksps 和 Msps,表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second） 。 3）量化误差(Quantizing Error) 由于 AD 的有限分辩率而引起的 误差,即有限分辩率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率 AD （理 想 AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半 个最小数字量的模拟变化量,表示为 1LSB、1/2LSB。 4）偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值, 可外接电位器调至最小。 5）满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理 想输入信号值之差。 6） 线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏 移,不包括以上三种误差。 其它指标还有：绝对精度(Absolute Accuracy) ,相对精度(Relative Accuracy),微分非线性,单调性和无错码,总谐波失真（Total Harmonic Distotortion 缩写 THD）和积分非线性。 3. DA3. DA 转换器的分类转换器的分类 DA 转换器的内部电路构成无太大差异 ,一般按输出是电流还是 电压、能否作乘法运算等进行分类。大多数 DA 转换器由电阻阵列和 n 个电流开关(或电压开关)构成。按数字输入值切换开关,产生比例于 输入的电流(或电压)。此外,也有为了改善精度而把恒流源放入器件内 部的。一般说来,由于电流开关的切换误差小,大多采用电流开关型电 路,电流开关型电路如果直接输出生成的电流,则为电流输出型 DA 转 换器,此外,电压开关型电路为直接输出电压型 DA 转换器。 1）电压输出型（如 TLC5620） 电压输出型 DA 转换器虽有直接从电阻阵列输出电压的,但一般 采用内臵输出放大器以低阻抗输出。 直接输出电压的器件仅用于高阻 抗负载,由于无输出放大器部分的延迟,故常作为高速DA转换器使用。 2）电流输出型(如 THS5661A) 电流输出型 DA 转换器很少直接利用电流输出,大多外接电流— 电压转换电路得到电压输出,后者有两种方法：一是只在输出引脚上 接负载电阻而进行电流—电压转换,二是外接运算放大器。用负载电 阻进行电流—电压转换的方法,虽可在电流输出引脚上出现电压,但必 须在规定的输出电压范围内使用 ,而且由于输出阻抗高, 所以一般外 接运算放大器使用。 此外,大部分 CMOS DA 转换器当输出电压不为零 时不能正确动作,所以必须外接运算放大器。 当外接运算放大器进行电流电压转换时 ,则电路构成基本上与内 臵放大器的电压输出型相同,这时由于在 DA 转换器的电流建立时间 上加入了达算放入器的延迟,使响应变慢。此外,这种电路中运算放大 器因输出引脚的内部电容而容易起振,有时必须作相位补偿。 3）乘算型（如 AD7533） DA 转换器中有使用恒定基准电压的 ,也有在基准电压输入上加 交流信号的,后者由于能得到数字输入和基准电压输入相乘的结果而 输出,因而称为乘算型 DA 转换器。 乘算型 DA 转换器一般不仅可以进 行乘法运算,而且可以作为使输入信号数字化地衰减的衰减器及对输 入信号进行调制的调制器使用。 4）一位