多片高速ADC和DAC在閉環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵作用

　　對(duì)低失真、正弦波信號(hào)的一組采樣進(jìn)行FFT分析，常用于判定A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。低失真信號(hào)源、高于被測(cè)系統(tǒng)的分辨率絕對(duì)是必不可少的。部分重要的動(dòng)態(tài)指標(biāo)有：

　　●信噪比(SNR)

　　●總諧波失真(THD)

　　●信號(hào)與噪聲+失真比(SINAD)

　　●無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)

　　SNR為輸入信號(hào)均方根值(RMS)與A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生的RMS量化誤差之比。從圖1中400ksps高速采樣的FFT圖表可知，SNR大約為90dB.這意味著輸入信號(hào)的RMS值比RMS量化誤差大30，000倍(計(jì)算公式為XdB = 20×log(ratio))。顯而易見(jiàn)，比值越大，A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的量化誤差越小。類(lèi)似地，THD為輸入信號(hào)與總諧波失真之比。SINAD為輸入信號(hào)與量化誤差加諧波失真之比，SFDR為輸入信號(hào)與最大失真分量之比。

　　往往利用直流信號(hào)的直方圖確定A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的噪聲。由于系統(tǒng)中存在噪聲，ADC產(chǎn)生的編碼將在主值附近。編碼的分散性表示A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的噪聲信息。圖2中直方圖的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.664(相當(dāng)于16.6位的有效分辨率)，98.6%的編碼在前三個(gè)中心LSB之內(nèi)。本例中，標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，系統(tǒng)噪聲越小。

　　單調(diào)模擬輸出的高速和高精度性能

　　高質(zhì)量DAC決定整個(gè)系統(tǒng)的輸出精度，對(duì)于任何控制系統(tǒng)都非常重要。幾項(xiàng)重要指標(biāo)決定模擬輸出的性能：

　　●積分非線(xiàn)性(INL)

　　●微分非線(xiàn)性(DNL)

　　●總不可調(diào)誤差(TUE)

　　●建立時(shí)間

　　任何實(shí)際的模擬輸出電路都有三種基本誤差：失調(diào)、增益誤差和非線(xiàn)性。在很多應(yīng)用中，可對(duì)失調(diào)和增益誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，但非線(xiàn)性誤差的修正最為困難。所以，選擇具有高線(xiàn)性度的DAC非常重要。INL曲線(xiàn)顯示理想DAC輸出與DAC實(shí)際輸出之間的偏差，其中抵消失調(diào)和增益誤差。圖3所示為帶有放大器的MAX5316 16位DAC的INL曲線(xiàn)。從曲線(xiàn)可看出，實(shí)際輸出與理想輸出之間的最大偏差大約為12 LSB.

　　圖3. INL，-10V至+10V輸出范圍，20%過(guò)量程。

　　DAC的單調(diào)性非常重要。DAC編碼增大時(shí)，單調(diào)DAC的輸出始終增大或最壞也保持相同。如果在閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用非單調(diào)DAC，負(fù)反饋可能變?yōu)檎答仭４送?，根?jù)控制理論，正反饋系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。為了確定DAC是否為單調(diào)，觀察其DNL曲線(xiàn)。DNL誤差是實(shí)際步長(zhǎng)與1 LSB理想值之差。步長(zhǎng)意味著兩個(gè)相鄰數(shù)字輸入編碼之間的輸出電壓差。圖4所示為帶放大器的MAX5316的DNL曲線(xiàn)。對(duì)于單調(diào)的模擬輸出，DNL曲線(xiàn)上的所有點(diǎn)必須大于-1 LSB.

　　圖4. DNL，-10V至+10V輸出范圍，20%過(guò)量程。

　　總不可調(diào)誤差(TUE)曲線(xiàn)顯示實(shí)際輸出電壓相對(duì)于理想輸出電壓的誤差，以滿(mǎn)幅百分比表示。圖5所示為帶放大器的MAX5316的TUE曲線(xiàn)。本例中，最大輸出誤差為滿(mǎn)幅的0.054%.

　　圖5.總不可調(diào)輸出誤差，-10V至+10V輸出范圍，20%過(guò)量程。

　　最后，建立時(shí)間是從更新DAC輸出命令到輸出達(dá)到指標(biāo)范圍內(nèi)的規(guī)定值之間的時(shí)間間隔。建立時(shí)間受DAC和放大器擺率以及放大器過(guò)沖和振鈴的影響。例如，在MAXREFDES71參考設(shè)計(jì)中，電壓輸出穩(wěn)定至2 LSB之內(nèi)只需17μs.