數據轉換是連接模擬和數字世界的重要電路，在大多數嵌入式系統中，您都會發現模擬到數字轉換和數字到模擬轉換，從物聯網（IoT）傳感器到無線網絡，從智能家居自動化到電源，數據轉換無處不在。在本文中，我們將分析數據轉換器的體系架構，研究這些轉換器的工作原理，并解釋工程師在選擇轉換器時應考慮的關鍵術語。我們也會列舉一系列典型的模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC），以說明不同的轉換器架構，并展示它們的功能。
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連接模擬和數字世界

我們周圍是一個模擬世界，溫度、濕度和氣壓等環境因素都是模擬測量值。例如，要在家庭自動化系統中對這些數據進行處理，需要將它們轉換為數字域。數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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與模數轉換過程相反的是數模轉換，一些應用案例會同時使用兩種轉換方法。例如，智能家庭揚聲器必須收聽語音命令和根據響應進行回放。將人的語音轉換為數字音頻流，然后由基于云端的機器學習算法進行解釋，付諸行動，然后將回復或所需音樂發送回揚聲器，并轉換為模擬域。
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ADC和DAC工作原理

圖1所示為一個簡單的工業過程閉環控制器功能框圖，其中包含有ADC和DAC。該控制器的信號調節功能支持ADC和DAC的輸入和輸出，信號調節鏈路還可以包括在ADC輸入上使用低通濾波器，能夠從期望的模擬信號中去除可能干擾ADC轉換精度的所有高頻信號偽影（artefacts）。其他信號調節部件可以限制采集的模擬信號輸入范圍，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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在使用多個模擬傳感器的情況下，ADC輸入可以被多路復用，這種技術能夠為控制電路設計提供一種高性價比的方法。這種設計可能需要可編程增益放大器，以適應來自多個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現。然而，最節省時間和PCB空間的方法是選擇通常包括ADC或DAC功能、多路復用器和一些信號調節組件的集成電路。
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模數轉換簡介

數據轉換的基礎包括兩個明顯的過程，采樣和量化。
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采樣發生在連續時域中，并能夠確定數字輸出信號如何能夠保真地代表輸入模擬信號。對于緩慢變化的模擬信號，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（s/s）。
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在圖3中右側，模擬輸入信號的變化比采樣率快很多，導致轉換精度降低。
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圖3：采樣率對數字輸出信號再現的影響。（來源：Kuphaldt - http://www.ibiblio.org/))

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

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數字轉換基礎知識

同樣的采樣和量化概念也適用于數模轉換。每個量化值由二進制數字代碼創建。通常，最簡單的DAC采用二進制加權架構，使用由高精度電阻器構建的分壓器提供輸出信號（參見圖5），這種結構稱為電阻串DAC。
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圖5：使用精密電阻串創建分壓器，以從數字輸入創建模擬輸出。（來源：Analog Devices）

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

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基本數據表中的ADC和DAC術語

除了上面強調的采樣率和量化之外，下面是在選擇ADC和DAC時會遇到的一些其它術語。
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分辨率：量化決定DAC/ADC的分辨率，最好用數字位的模擬值來加以說明?？紤]測量最大值為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：該誤差表示轉換器在從零到滿量程范圍內線性偏離直線程度。良好的INL表明轉換器可以將數字正弦波轉換為可靠的模擬呈現（參見圖7）。
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圖7：與整體傳遞函數相比，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斜率反映理想傳遞曲線的準確程度（參見圖7）。
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微分非線性（DNL）誤差：DNL表示每個數字步長之間的差值。一個好的DNL意味著好的分辨率，而且數字步長保持一致（參見圖8）。
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圖8：微分非線性誤差存在于各個數字步長之間。（來源：Analog Devices）

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偏移誤差：也稱為零標度誤差，表示ADC或DAC的傳遞函數與理想傳遞特性的比較。在DAC中，當數字輸入全部為零時，產生了模擬輸出，就會發生偏移誤差。對于ADC，當模擬輸入為零時，所有數字輸出應為零
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流行的ADC和DAC架構

模數轉換

每種模數轉換器架構都具有其適合于某特定應用的屬性，重要考慮因素涉及成本（設計簡單性）、分辨率或線性度等。
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Flash架構采用時鐘比較器的并行陣列將模擬信號轉換為數字域，每個比較器的輸入包括信號和來自階梯電阻參考電壓的設定部分（參見圖8）。Flash架構能夠在一個時鐘周期內實現轉換，但它需要8個比較器用于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。（來源：Analog Devices）

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流水線架構通常將轉換過程分為兩個階段，每個階段包括采樣和保持、DAC和ADC。在轉換周期開始時，第一個采樣成為最高有效位（MSB），然后將其反饋并從輸入信號中減去剩余采樣，該過程會持續進行到從MSB到LSB的每個數字位。這種架構速度不如Flash ADC快，但可以適應寬動態范圍輸入信號，并能夠實現高分辨率。然而，流水線過程也引入了轉換延遲，這可能不適合某些應用。
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逐次逼近寄存器（SAR）架構是將輸入信號與已知參考電壓進行比較（參見圖10），對于從MSB到LSB的每個數字位，需要連續針對較小參考電壓進行比較。如果模擬輸入大于參考值，則可設定每個位；如果小于該值，則保持為零并繼續到下一數字位。SAR ADC的優點包括無流水線架構的延遲，并且由于只需要一個比較器，所以芯片尺寸非常緊湊。然而，其精度則取決于DAC線性度和相關比較器噪聲。
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圖10：逐次逼近模數轉換器示意圖。（來源：Analog Devices）

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∑-Δ架構：這種架構利用積分器、比較器和一位DAC來創建∑-Δ調制器（參見圖11）。調制器從DAC中減去一個值，并將結果反饋給積分器。比較器獲取積分器輸出并將其轉換為單位數字輸出，然后反饋至輸入。這種架構可以實現高分辨率，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。（來源：Analog Devices）

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數模轉換

除了上面強調的電阻串架構之外，R-2R梯形DAC是另一種流行的架構（參見圖12）。R-2R梯形圖能夠簡化與電阻串DAC相關的匹配難題，只需要兩個2:1比例的電阻值。該架構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鏈提供二進制縮放輸出電壓，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。（來源：Analog Devices）

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上面討論的所有DAC架構都使用固定參考電壓和固定增益。然而，乘法DAC（MDAC）架構可為寬動態范圍模擬信號提供數字可變增益，它使用R-2R梯形結構和可編程增益運算放大器。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。
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數據轉換器示例

德州儀器（Texas Instruments） ADC354x系列是低噪聲、超低功耗14位高速ADC，能夠實現高達65M/s的采樣速率。該轉換器具有一個時鐘周期的延遲、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用。
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基于SAR的ADC的一個例子是Analog Devices AD7380/AD7381系列4Ms/s雙采樣16位或14位轉換器，它具有差分輸入、1 LSB INL（14位）和寬共模輸入電壓，適用于電機控制感測、數據采集系統和聲納等應用，相應的評估板EVAL-AD7380FMCZ/EVAL-AD7381FMCZ可幫助進行多通道、同時采樣原型制作。
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DAC的一個范例是Analog Devices/Maxim Integrated MAX22007，這種四通道模擬輸出IC適用于各種工業和建筑自動化應用。它能夠配置為電壓或電流模式輸出，每個通道可以提供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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開始數據轉換設計

在本文中，我們探討了如何實現模擬域和數字域之間的數據轉換，簡要介紹了數據表中一些重要術語，并分析了流行的轉換器架構。通過這些信息，讀者將能夠更好地了解模數轉換器和數模轉換器的工作方式、每種架構的優缺點以及在選擇器件時需要查看的重要數據表參數。
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