高精度數模轉換實(shí)現的技巧

電路功能與優(yōu)勢

本電路利用電壓輸出DACAD5542 、基準電壓源ADR421BRZ以及用作基準電壓緩沖的自穩零運算放大器AD8628 ，可實(shí)現精密數據轉換。AD8628基準電壓緩沖可提供以前只有昂貴的自穩零或斬波穩定放大器才具有的特性?xún)?yōu)勢。這些零漂移放大器采用ADI公司的電路拓撲結構，將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體。無(wú)需外部電容，而且與大多數斬波穩定放大器相關(guān)的數字開(kāi)關(guān)噪聲大大降低，因此這種放大器是基準電壓緩沖的最佳選擇。

本電路可實(shí)現精密、低功耗、電壓輸出數模轉換。AD5542有兩種工作模式：緩沖模式和非緩沖模式。何種工作模式最佳由具體應用及其建立時(shí)間、輸入阻抗、噪聲等要求而定?？梢愿鶕绷骶然蚩焖俳r(shí)間要求來(lái)選擇輸出緩沖放大器。如果要求DAC驅動(dòng)60 kΩ以下的負載，則需要輸出緩沖。DAC的輸出阻抗恒定，且與數字碼無(wú)關(guān)，但為了將增益誤差降至最小，輸出放大器的輸入阻抗應盡可能高。輸出放大器還應具有1 MHz或更高的3 dB帶寬。輸出放大器給系統增加了另一個(gè)時(shí)間常數，因此會(huì )延長(cháng)最終輸出的建立時(shí)間。

放大器的3 dB帶寬越高，則DAC與放大器組合的有效建立時(shí)間越快。電路中的所有器件均可采用+5 V單電源供電?；鶞孰妷涸碅DR421的輸入電壓范圍為4.5 V至18 V。

圖1：精密DAC配置(原理示意圖)

電路描述

本電路采用電壓輸出DAC AD5542，提供16位、高精度性能。AD5541

其中D為載入DAC寄存器的十進(jìn)制數字字，N為DAC的分辨率。

對于2.5 V基準電壓，上述公式可簡(jiǎn)化為下式：

因此，中間電平碼對應的VOUT 為1.25 V，滿(mǎn)量程碼對應的VOUT為2.5 V。

LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1 μV。

有一個(gè)普遍的誤解認為自穩零放大器不可靠，因為內部開(kāi)關(guān)動(dòng)作會(huì )導致交調項，并使不需要的諧波未經(jīng)濾除便進(jìn)入到輸出。以前的自穩零放大器采用自穩零或斬波穩定技術(shù)，傳統的自穩零技術(shù)使自穩零頻率時(shí)的噪聲能量較低，但由于自穩零頻帶中混疊寬帶噪聲，因此會(huì )造成低頻噪聲較高。斬波技術(shù)使低頻噪聲較低，但斬波頻率時(shí)的噪聲能量較大。AD8628系列采用已獲專(zhuān)利的乒乓式配置，同時(shí)使用自穩零和斬波技術(shù)，可在斬波和自穩零頻率獲得較低的低頻噪聲以及較低的能量，從而使大部分應用的信噪比達到最高，且不需要額外濾波。內部斬波頻率相對較高(15 kHz)，因此在儀器儀表和過(guò)程控制應用中，可簡(jiǎn)化對濾波器的有效、無(wú)噪聲、寬帶寬要求。

測量結果顯示：在高精度、高性能系統中將AD8628用作基準電壓緩沖，可以實(shí)現高精度、低噪聲以及最低高頻交調失真(折合到輸出端)性能。

積分非線(xiàn)性(INL)誤差指實(shí)際DAC傳遞函數與理想傳遞函數的偏差，用LSB表示。差分非線(xiàn)性(DNL)誤差指實(shí)際步進(jìn)大小與1 LSB的理想值之間的差異。圖1所示電路在16位分辨率時(shí)的INL誤差為±1 LSB，DNL誤差為±1 LSB。圖2和圖3顯示了該電路的INL和DNL性能。

圖2：積分非線(xiàn)性誤差與輸入碼的關(guān)系

圖3：差分非線(xiàn)性誤差與輸入碼的關(guān)系