数模转换器的常用类型有哪些?都具有什么特点?
最常见的数模转换器是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流,它常用作过程控制计算机系统的输出通道,与执行器相连,实现对生产过程的自动控制。
数模转换器(DAC)的常用类型及其特点如下:
-
二进制加权电阻型DAC
- 结构: 使用不同阻值的电阻网络,每个电阻对应于输入数字码的一位(通常是MSB对应最小阻值)。
- 特点:
- 优点: 结构相对简单直观。
- 缺点:
- 精度要求高: 需要极高精度的电阻(尤其高位),电阻值范围大(如8位DAC,最大和最小阻值相差256倍),制造难度大、成本高。
- 非线性误差大: 电阻精度的微小偏差会导致显著的DNL和INL误差。
- 建立时间长: 开关导通电阻的变化影响输出。
- 应用: 由于其精度限制,主要用于对精度要求不高的低分辨率场合或作为其他架构的一部分。
-
R-2R梯形电阻网络DAC
- 结构: 只使用两种阻值(通常是R和2R)的电阻构成梯形网络(梯形或倒梯形)。开关切换电流或电压到虚拟地或输出点。
- 特点:
- 优点:
- 仅需两种电阻值: 制造工艺更简单,易于集成,成本相对较低。
- 良好的单调性和精度: 只要R和2R的比值精度高,就能保证较好的线性度(DNL/INL)。
- 速度快: 寄生电容较小,建立时间相对快。
- 缺点: 相对于权电流型速度慢些,电流模式可能需要高输入阻抗的运放。
- 优点:
- 应用: 最常见的中高分辨率集成DAC类型,广泛应用在音频设备、控制系统、仪器仪表中。
-
权电流型DAC
- 结构: 使用一组与数字位权重成比例的电流源(MSB电流最大,LSB最小)。用电流开关将电流源切换到输出总线或地。
- 特点:
- 优点:
- 极快的速度: 电流开关速度非常快,寄生效应小,建立时间短。
- 良好的动态性能: 适合高频信号合成。
- 易于实现差分输出: 适合高速差分接口。
- 缺点:
- 设计要求高: 电流源匹配是关键(尤其在低位),需要精密电路设计来确保高线性度。
- 功耗较大: 所有电流源都可能持续工作(或被分流)。
- 复杂度: 可能比R-2R更复杂。
- 优点:
- 应用: 主要用于高速、高动态性能要求的场合,如视频信号生成、数字射频、高速通信系统、任意波形发生器。
-
Delta-Sigma (ΔΣ) DAC
- 结构: 结合了过采样、噪声整形(将量化噪声推向高频)和数字滤波的低分辨率(通常是1位)DAC结构。核心是一个数字Delta-Sigma调制器(产生高速、低精度的位流)和一个模拟低通滤波器。
- 特点:
- 优点:
- 极高的分辨率: 能在音频范围(<20kHz)达到16位、24位甚至32位的等效分辨率。
- 对模拟元件的匹配精度要求较低: 核心模拟部分(1位DAC)极其简单(只是一个开关),高精度由数字处理实现。
- 优异的线性度: DNL/INL误差可以做得非常小。
- 缺点:
- 转换速度慢: 需要大量过采样,有效转换速率(奈奎斯特带宽)远低于采样率。
- 需要复杂的数字处理: 包含过采样滤波器、调制器逻辑等。
- 输出需要外部模拟低通滤波器: 滤除高频噪声。
- 优点:
- 应用: 主要用于高分辨率、带宽相对较低的领域,尤其是音频DAC(几乎成为标配),传感器信号链,工业测量仪器等。
总结选择参考:
- 需要高分辨率(>16位)和中低带宽? → Delta-Sigma DAC (音频、精密测量首选)。
- 需要中高速、良好综合性能? → R-2R梯形网络DAC (最常见,泛用性强)。
- 需要超高速度(GHz范围)和动态范围? → 权电流型DAC (视频、射频、高速通信)。
- 对成本极其敏感、精度要求低? → 二进制加权电阻型DAC (较少单独集成使用)。
希望这个解答能帮您清楚了解不同类型DAC的特性与应用场景。
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