高性能nanoDAC AD5611的原理及應用

摘 要：AD5611是美國模擬器件公司(ADI)生產(chǎn)的一款單電源串行10位nanoDAC系列數模轉換器，特別適用于以電池供電的便攜式儀器。文中介紹了AD5611的性能特點(diǎn)、內部結構和設計考慮，同時(shí)給出了由AD5611組成的雙極性電壓輸出D/A轉換器的應用電路。

關(guān)鍵詞：數模轉換器；AD5611；80C51；三線(xiàn)串口

概述

--- AD5611是一款易控制、小尺寸、低功耗的10位DAC，在5V時(shí)的最大工作電流為100μA，并保證有單調的性能。在節電模式下，AD5611工作電壓為3V時(shí)的功耗電流小于100nA，芯片還可通過(guò)軟件選擇輸出負載。AD5611利用通用三線(xiàn)串口將時(shí)鐘頻率上升到30MHz，同時(shí)與SPI、QSPI、MICROWIRE、DSP等接口標準兼容。AD5611的基準電壓源來(lái)自電源輸入，因此獲得了很寬的動(dòng)態(tài)輸出范圍，該部分同時(shí)合并了加電復位電路，確保無(wú)輸入信號時(shí)DAC的輸出端電平始終保持為0V。AD5611具有軌到軌輸出緩沖放大器，可實(shí)現0.5V/μs的轉換速率，還具有同步中斷控制功能。

由于以上這些特點(diǎn)，使AD5611很適合作為電壓準位設定，主要用于消費類(lèi)電子產(chǎn)品和手持設備、數字增益和偏移量調整、可編程電壓源、可編程電流源和可編程衰減器等場(chǎng)合，例如數碼相機、PDA、手機音量控制或背光顯示屏亮度控制等。

AD5611的內部結構如圖1所示，芯片由施密特觸發(fā)輸入電路、基準源、加電復位電路、移位寄存器、輸入控制邏輯、節電控制邏輯模塊、輸出緩沖放大器及電阻網(wǎng)絡(luò )等部分組成。

設計要點(diǎn)

AD5611的內部主要器件為DAC移位寄存器、電阻網(wǎng)絡(luò )和輸出緩沖放大器。由于輸入到DAC的數據是直接二進(jìn)制格式，因此，從理論上得到的輸出電壓應該為，其中，VDD是芯片的工作電源電壓，D是輸入二進(jìn)制數據的十進(jìn)制形式。

AD5611的三線(xiàn)串口(SYNC、SCLK和DIN)可兼容SPI、QSPI、MICROWIRE接口協(xié)議標準。AD5611為單向通信，只有外部的寫(xiě)操作，當SYNC由高電平跳至低電平時(shí)，通信開(kāi)始，DIN在SCLK時(shí)鐘信號的控制下，在SCLK的下降沿將數據輸入16位移位寄存器。只有當16位數據全部輸入寄存器，即SCLK的第16個(gè)下降沿過(guò)后，移位寄存器才將最新的數據加載進(jìn)去，從而完成一次完整的寫(xiě)操作。在串行數據輸入過(guò)程中，SYNC必須保持為低電平，直到通信結束，否則，寫(xiě)操作無(wú)效。如果在對AD5611進(jìn)行一次寫(xiě)操作后，緊接著(zhù)要進(jìn)行第二次寫(xiě)操作，那么在第一次寫(xiě)操作完成后至少應保持33ns的高電平，以使SYNC能產(chǎn)生一個(gè)下降沿來(lái)啟動(dòng)下一次寫(xiě)時(shí)序。

輸入移位寄存器為16位寬度，如圖2所示。PD0位和PD1位是控制位，用以控制功率操作模式(標準模式或三種節電模式中的一種模式)。D0～D13位是數據位，在SCLK波形的第16個(gè)下降沿時(shí)傳輸至DAC寄存器。

AD5611有四種獨立的工作模式，工作模式的選擇通過(guò)軟件設置寄存器的DB15和DB14位來(lái)完成，工作模式和真值表的對應關(guān)系見(jiàn)圖3中。AD5611在標準模式下，輸出端VOUT輸出與數字量成正比的模擬電平；而在節電模式下，其輸出端VOUT將在芯片內部通過(guò)一個(gè)電阻接地或保持開(kāi)路。節電模式下的三種工作模式分別為輸出端接1kΩ電阻到地、輸出端接100kΩ電阻到地、輸出端斷開(kāi)電路(三態(tài))。 

節電模式被激活時(shí)，偏壓發(fā)生器、輸出放大器及其他相關(guān)的線(xiàn)性電路將全部關(guān)閉，但DAC寄存器中的內容不受影響。在VDD=5V和VDD=3V兩種情況下，退出節電模式的時(shí)間分別對應為2.5μs和5μs。
飛利浦公司生產(chǎn)的80C51單片機在微控制器領(lǐng)域有著(zhù)十分廣泛的應用，而AD5611的通用三線(xiàn)串口可方便地與其接口。圖3給出了AD5611與80C51單片機傳輸數據的接口原理圖。當RXD信號驅動(dòng)AD5611的串行數據線(xiàn)(DIN)時(shí)，TXD信號則用來(lái)作為串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCLK)的驅動(dòng)信號。當數據傳輸到AD5611時(shí)，P3.3應被置為低電平。因為80C51是以8位數據(1字節)作為數據傳輸的單位，所以傳輸周期只經(jīng)歷8時(shí)鐘的下降沿。為了將數據加載到轉換器，當前8位數據傳輸完畢時(shí)，P3.3就應該置為低電平，啟動(dòng)一個(gè)新的寫(xiě)周期以傳輸下一個(gè)字節。當完成一個(gè)寫(xiě)周期后，P3.3即變?yōu)楦唠娖?。傳輸數據時(shí)，80C51先輸出數據的最低有效位(LSB)，而AD5611則只能先接收數據的最高有效位(MSB)，這一點(diǎn)是在對80C51編程時(shí)需要加以考慮的。

前面介紹到AD5611為單極性電源操作，但在實(shí)際應用中也可通過(guò)運算放大器等相關(guān)元件和AD5611組成雙極性電壓輸出D/A轉換電路。圖4所示電路是由AD5611和運算放大器AD820組成的雙極性電壓輸出D/A轉換電路，其數字量0x0000對應于模擬輸出電壓的-5V，而0x3FFF則對應+5V的模擬輸出電壓。輸出電壓可根據下式計算得到：

這里，D表示輸入數據的十進(jìn)制形式。當VDD=5V，R1=R2=10kΩ時(shí)，
； 

結束語(yǔ)

AD5611具有接口簡(jiǎn)單、使用方便、便于精密輸出控制等特點(diǎn)，同時(shí)又具備很低的功耗，能夠滿(mǎn)足當前系統對低功耗、小封裝和低成本的要求。


參考文獻

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3 劉書(shū)明.高性能模數與數模轉換器件. 2000
4 張友德. 飛利浦80C51系列單片機原理與應用技術(shù)手冊.1992