開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”系統的核心

當選擇數模轉換器 (DAC) 時(shí)，設計師可以從種類(lèi)繁多的 IC 中選擇。DAC 可以針對具體的應用劃分成很多不同類(lèi)別。不過(guò)，DAC 的劃分也可以簡(jiǎn)化，僅分成 DC 或低速調節所需的 DAC和產(chǎn)生高速波形所需的 DAC。 本文專(zhuān)注于低速應用所需的 DAC，而無(wú)論該應用是低分辨率還是高分辨率、是粗略調節還是精細調節。

　　就選擇低速 DAC 而言，決定設計是閉環(huán)、開(kāi)環(huán)或“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統是很重要。每一種設計都需要一個(gè)具某些關(guān)鍵性能規格的 DAC。

　　閉環(huán)系統

　　閉環(huán)系統包括一條反饋通路，以檢測和校準任何誤差。傳感器根據諸如伺服電動(dòng)機、流量閥或溫度檢測單元等的物理參數監視輸出。然后傳感器將數據饋送回控制器，而控制器則利用這個(gè)信息決定是否需要校正。

　　DAC 和模數轉換器 (ADC) 是位于閉環(huán)系統核心的關(guān)鍵組件。DAC 用在前饋通路中以調節系統，ADC 用在反饋通路中，以監視這些調節的效果。它們一起施加和檢測模擬控制信號，以真實(shí)地調節它們控制的參數。

　　電動(dòng)機控制是這類(lèi)閉環(huán)系統的一個(gè)例子，如圖 1 中詳細說(shuō)明的那樣。首先，將一個(gè)想要的輸出 (設定點(diǎn)) 加到控制器上，控制器對這個(gè)輸出和反饋信號進(jìn)行比較。如果需要校正，那么控制器會(huì )調節 DAC 的輸入編碼，然后 DAC 在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓。該 DAC 的輸出電壓通過(guò)一個(gè)功率放大器放大，以給電動(dòng)機提供所需的驅動(dòng)電流。

圖 1：閉環(huán)系統舉例

　　在這個(gè)閉環(huán)系統的下一級，用一個(gè)轉速計測量電動(dòng)機的旋轉速度。旋轉信號是該閉環(huán)系統的實(shí)際輸出或可變過(guò)程。ADC 將該轉速計的輸出數字化，并將數據發(fā)送到控制器，在控制器中，由算法決定是否需要在 DAC 輸出以及最終的電動(dòng)機上進(jìn)行任何校正。采用這種方式，誤差被降到可接受的水平。理想情況下，反饋允許閉環(huán)系統消除所有誤差，從而有效地限制噪聲、溫度、外力或其他不想要的信號等任何誤差來(lái)源的影響。

　　閉環(huán)系統的性能取決于準確的反饋通路，包括傳感器和 ADC。本質(zhì)上，反饋通路補償了前饋通路的誤差。因為 DAC 在前饋通路中，其積分非線(xiàn)性 (INL) 誤差就自動(dòng)得到了補償。INL 誤差是 DAC 輸出端實(shí)際的傳遞函數與理想傳遞函數之間的偏差。不過(guò)，DAC 必須有良好的差分非線(xiàn)性 (DNL)，并且必須相對于數據表中規定的位數呈單調性。DNL 誤差是 DAC 模擬輸出端的實(shí)際電壓變化與理想電壓步進(jìn) (等于 DAC 輸入編碼中 1 個(gè)最低有效位 (LSB) 步進(jìn)) 之差。單調的 DAC 意味著(zhù)，模擬輸出始終隨著(zhù)數字編碼的提高而提高或保持與其相同 (反之亦然)。始終大于 -1LSB 的 DNL 規格意味著(zhù)單調性。圖 2 顯示 DAC 模擬輸出電壓相對于 DAC 輸入編碼的傳遞函數。

　　如果 DAC 不是單調的，那么會(huì )存在一個(gè)負反饋變成正反饋的區域。這可能導致振蕩，而振蕩最終可能毀壞電動(dòng)機。

圖 2：DNL 傳遞函數

　　開(kāi)環(huán)系統

　　開(kāi)環(huán)系統沒(méi)有反饋通路。這意味著(zhù)，系統自身必須是準確的。開(kāi)環(huán)控制對于良好定義的系統是有用的，在這類(lèi)系統中，輸入編碼及其在負載上所導致行動(dòng)之間的關(guān)系是已知的。如果負載不是非?？深A測的，那么最好使用閉環(huán)控制。

　　開(kāi)環(huán)系統的一個(gè)例子如圖3所示。在這個(gè)例子中，DAC 驅動(dòng)凌力爾特穩壓器 LT3080 的 SET 電壓引腳。SET 引腳是誤差放大器的輸入和輸出電壓的調節設定點(diǎn)。LT3080 的輸出電壓范圍為 0V 至絕對最大額定輸出電壓。

　　DAC 的分辨率決定 SET 引腳調節的步進(jìn)大小。例如，一個(gè)具有 5V 基準的 8 位 DAC 有 5V / 28 = 19.5mV 的 LSB。一個(gè)具有同樣 5V 基準的 12 位 DAC 有 1.2mV 的 LSB，一個(gè) 16 位 DAC 有 76µV 的 LSB。這意味著(zhù)，就一個(gè)理想 DAC 而言，數字編碼每增大一次，模擬輸出都應該增加 76µV。

　　開(kāi)環(huán)系統中的其他重要參數包括偏移、增益誤差、基準電壓誤差以及這些參數隨時(shí)間和溫度變化的穩定性。INL 尤其重要，因為與閉環(huán)系統相比，DAC 的 INL 對系統的總體線(xiàn)性度有直接影響。

圖 3：開(kāi)環(huán)系統舉例

　　“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統

　　DAC 線(xiàn)性度起到重要作用的第三種應用是“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統。在這類(lèi)系統中，調節或校準只進(jìn)行一次，也許在制造時(shí)或安裝時(shí)。因此，這類(lèi)系統一開(kāi)始是一 種閉環(huán)系統，然后又變成開(kāi)環(huán)的。所以，與初始準確度 (偏移、增益誤差、INL) 有關(guān)的任何參數都不關(guān)鍵，因為這些參數在調節時(shí)都得到了補償。但是一旦反饋去掉，穩定性就變得很關(guān)鍵了。表明穩定性的數據表性能規格包括：增益誤差漂移、 失調和基準漂移。

圖 4 顯示一個(gè)“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”的應用例子。在這張圖中，一個(gè)較低分辨率的 DAC 驅動(dòng)一個(gè)可編程增益放大器，該放大器設定精準 DAC 偏移調節引腳上的電壓。在初始系統校準時(shí)，該較低分辨率 DAC 用來(lái)有效地校準精準 DAC 的增益偏移。這個(gè)調節代碼可以存儲在非易失性存儲器中，并在系統每次加電時(shí)裝載。

圖 4：“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統舉例

　　進(jìn)一步了解 DAC DC 性能規格

　　一旦決定了閉環(huán)、開(kāi)環(huán)或“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”系統的類(lèi)型，就該選擇最好的 DAC 了。正如之前提到的那樣，有些應用需要粗略調節，這意味著(zhù)系統僅需要有限數量的可變設置。在這種情況下，8 位或 10 位分辨率的 DAC 一般就足夠了。就需要更精細控制的系統而言，12 位 DAC 可以提供足夠的分辨率。在今天的市場(chǎng)上，16 位和 18 位 DAC 提供最精細的每 LSB 分辨率。

　　LTC2600 是一種 16 位 8 通道 DAC，是為閉環(huán)系統而設計的?？匆幌滤?DC 性能規格會(huì )發(fā)現這是很明顯的。典型的 INL 是 ±12LSB，最大值為 ±64LSB。典型的 INL 隨輸入代碼的變化曲線(xiàn)在圖 5 的下部顯示了這些性能規格。16 位單調性和 ±1LSB DNL 誤差允許在前饋通路中進(jìn)行精準控制。正如前面提到的那樣，前饋誤差對閉環(huán)系統來(lái)說(shuō)不重要，只要該 DAC 是單調的就行。

圖 5：LTC2656 與 LTC2600 的比較

　　相反，新的 LTC2656 是一種 8 通道 DAC，所有 8 個(gè) DAC 都提供 16 位單調性和卓越的 ±4LSB INL 誤差，從而使該器件可能同時(shí)適合開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統。LTC2656 封裝中所有 8 個(gè) DAC 的典型 INL 隨代碼變化的曲線(xiàn)如圖 5 所示。在 16 位 8 通道 DAC 類(lèi)別中，LTC2656 提供最佳 INL。

　　單個(gè)封裝中的 8 個(gè) DAC 都實(shí)現高線(xiàn)性度不是一個(gè)容易的設計任務(wù)。封裝壓力和電壓隨溫度的漂移都必須在設計中考慮到。單個(gè) DAC 實(shí)現較嚴格的 INL 性能規格會(huì )容易得多。例如，凌力爾特公司提供的 LTC2641 是一種單 16 位 DAC，該器件提供 ±1LSB INL 和 DNL 的最高 DC 性能規格。

　　除了 INL 和 DNL，其他要考慮的重要 DC 性能規格是偏移誤差 (或零標度誤差) 和增益誤差 (滿(mǎn)標度誤差)。偏移誤差表示，在 (或接近) 零標度輸入編碼時(shí)，實(shí)際傳遞函數與理想傳遞函數的匹配程度。就需要直到地的精準控制應用而言，偏移誤差是非常重要的。LTC2656 提供非常低的 ±2mV 最大偏移誤差。

　　增益誤差表示實(shí)際傳遞函數斜率與理想傳遞函數斜率的匹配程度。增益誤差和滿(mǎn)標度誤差有時(shí)可互換使用，但是滿(mǎn)標度誤差同時(shí)包括增益誤差和偏移誤 差。LTC2656 提供 ±64LSB 的最大增益誤差，這等于滿(mǎn)標度的0.098% (64/65536)，是一個(gè)非常小的最大增益誤差。

　　具有非常好的偏移和增益誤差的 DAC 可能允許系統不必運行控制器或 FPGA 中軟件的校準周期。一個(gè)隨時(shí)間和溫度變化漂移非常小的 DAC 還使設計更簡(jiǎn)單，因為系統工程師不需要經(jīng)常校準。

圖 6：LTC2656 方框圖

　　±10V 輸出的 DACs

　　之前提到的 DAC 用于單電源或單極性 0V 至 5V 系統。不過(guò)，有些閉環(huán)、開(kāi)環(huán)或“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”的系統需要 ±10V DAC。就這些高壓系統而言，設計師既可以用具可編程增益放大器的單極性 0V 至 5V DAC來(lái)執行增益和電平移動(dòng)，或者也可以由 DAC 直接提供 ±10V 的信號。

　　凌力爾特公司提供單、雙和四通道 DAC 供客戶(hù)選擇，這些 DAC 提供高達 ±10V 的輸出電壓。LTC1592 是單通道 16 位 DAC 的一個(gè)例子，該器件提供兩個(gè)單極性和 4 個(gè)雙極性可由軟件編程設定的輸出電壓范圍，包括 0V 至 5V、0V 至 10V、±2.5V、±5V、±10V 和 -2.5V 至 7.5V。因此，同一個(gè) DAC 既可以用于單極性系統也可以用于雙極性系統，而無(wú)需徹底地重新設定控制器。例如，將 DAC 輸出范圍從 0V 至 5V 改變到 ±10V，僅需要改變至 DAC 串行位流中的兩個(gè)位。

　　結論

　　DAC是開(kāi)環(huán)、閉環(huán)或“設定后便不需再過(guò)問(wèn)”系統的關(guān)鍵組件。這類(lèi)系統每一種都需要 DAC 提供不同級別的準確度和分辨率。在特定分辨率時(shí)，總是有一些因素需要權衡，如價(jià)格、封裝大小、基準準確度和輸出阻抗。就最高精確度的系統而言，選擇 DAC 時(shí)很重要的是不僅要考慮數據表第一頁(yè)上提供的位數是多少，還要考慮 INL、DNL、偏移誤差、增益誤差等 DC 性能規格保證有多高的準確度。