選擇數模轉換器（DAC）時(shí)的各種權衡因素

許多現代工業(yè)和儀器儀表系統可以接入多個(gè)不同電源，最常見(jiàn)的是15 V用于模擬電路，3 V或5 V用于數字邏輯。其中大部分應用要求輸出以10 V擺幅驅動(dòng)外部大負載。本文討論為這些應用選擇數模轉換器(DAC)時(shí)遇到的各種權衡因素，并且提出了詳細的電路原理圖。

可編程邏輯控制器(PLC)、過(guò)程控制或電機控制等工業(yè)應用中的模擬輸出系統，需要0 V至10 V或10 V以上的單極性或雙極性電壓擺幅。一種可能的解決方案是選擇能夠直接產(chǎn)生所需輸出電壓的雙極性輸出DAC。還有一種解決方案是使用低壓?jiǎn)坞娫?LVSS)DAC，將其輸出電壓放大至所需輸出電平。為了選擇最適合應用的方法，用戶(hù)必須了解輸出要求，并且知道每種方案的優(yōu)勢或不足。

能夠直接產(chǎn)生所需輸出擺幅的雙極性DAC具有多項值得考慮的優(yōu)勢和不足。主要優(yōu)勢包括：

* 簡(jiǎn)單。電路板的設計得以簡(jiǎn)化，因為所需的0 V至10 V或10 V以上輸出電平可直接通過(guò)硬件或軟件配置獲得。此外，其通常會(huì )集成故障保護模式，因而可簡(jiǎn)化系統設計。

* 可制造性和可靠性得到提高，因為不需要放大器、開(kāi)關(guān)和電阻等分立式器件。有時(shí)也會(huì )集成基準電壓源。

* 系統誤差和總非調整誤差(TUE)的測量。保證線(xiàn)性度、噪聲、失調和漂移特性;對DAC內的各種誤差源求和，很容易計算總系統誤差或TUE。TUE有時(shí)在數據手冊中有規定。

* 端點(diǎn)誤差。某些情況下，雙極性DAC包括校準特性，能夠隨時(shí)調整系統失調和增益誤差。

雙極性DAC的主要缺點(diǎn)包括：

* 靈活性有限。集成高壓放大器對應用而言可能不是最佳的。輸出放大器通常針對特定負載和噪聲要求進(jìn)行優(yōu)化。雖然數據手冊給出的范圍可能與系統中的實(shí)際負載匹配，但其他參數(如建立時(shí)間或功耗等)可能無(wú)法滿(mǎn)足系統要求。

* 成本和電路板面積。雙極性DAC通常是在較大的幾何工藝上設計，導致芯片和封裝尺寸較大且成本較高。

使用帶外部信號調理的低壓DAC是另一種產(chǎn)生工業(yè)應用所需高壓輸出擺幅和范圍的方法。同樣，它也有值得考慮的重要權衡因素。分立式解決方案的主要優(yōu)勢包括：

* LVSS DAC往往具有較高的邏輯集成度和高速邏輯接口，使得微控制器有時(shí)間來(lái)處理更多任務(wù)。

* 輸出可能必須提供大電流或驅動(dòng)雙極性DAC片內放大器無(wú)法處理的大容性負載。分立式解決方案允許選擇最佳獨立放大器來(lái)滿(mǎn)足應用需要。

* 很容易實(shí)現超量程特性(10 V標稱(chēng)范圍提供10.8 V輸出)，為最終用戶(hù)提供更大的應用靈活性，例如在需要打開(kāi)或關(guān)閉磨損閥門(mén)的應用中。

* 成本。LVSS DAC通常比雙極性DAC便宜，從而使總體物料成本更低。

* 減少電路板面積。LVSS DAC采用低壓亞微米或深微米工藝設計，可提供小尺寸封裝。

分立式解決方案的主要缺點(diǎn)包括：

* 需要花費更多的時(shí)間來(lái)優(yōu)化電路板和設計端點(diǎn)調整電路。

* 總誤差或TUE的計算變得更困難，因為必須考慮更多誤差源。

* 分立式器件數量的增加導致可制造性和可靠性降低。

* 應用必須有低壓電源(5 V或3 V)可用。

總之，在精密10 V工業(yè)應用的設計中，有許多因素需要考慮。顯然，設計人員必須清楚地知道輸出負載要求和系統可以接受的總誤差。此外，電路板面積和成本也是選擇最佳方案的重要考慮因素。對于必須驅動(dòng)大容性負載(1 μF)，同時(shí)要求低噪聲和快速建立(20 V范圍小于10 s)的應用，分立式方案幾乎總是勝出。雖然雙極性DAC在靈活性上不如分立式方案，但簡(jiǎn)單的設計和不費力的TUE計算使其對廣泛的工業(yè)和儀器儀表應用很有吸引力。

下面的討論說(shuō)明如何利用雙電源雙極性輸出DAC和帶外部信號調理的低壓?jiǎn)坞娫碊AC實(shí)現精密10 V輸出。

電路概覽：雙電源雙極性輸出DAC

圖1. AD5764雙極性DAC的功能框圖

雙極性輸出DAC的主要元件如以上功能框圖(圖1)所示。它由精密DAC、基準電壓源、基準電壓緩沖器、失調和增益調整以及輸出放大器組成。集成精密基準電壓源以適應16位應用非常困難，但最近的工藝進(jìn)步和設計技術(shù)允許在片內設計和集成具有出色漂移和熱特性的基準電壓源。熱關(guān)斷、短路保護等故障保護模式，以及上電/關(guān)斷等狀況下的輸出控制，是雙極性DAC通常會(huì )集成的重要特性，可以簡(jiǎn)化系統設計。DAC提供數字碼以相對于基準電壓轉換輸出電壓。調整模塊提供偏移和調整DAC傳遞函數的功能。

有關(guān)AD5764的更多信息

AD5764是一款四通道、16位串行輸入、電壓輸出DAC，工作電壓范圍為12 V至15 V。其標稱(chēng)滿(mǎn)量程輸出范圍為10 V，內置輸出放大器、基準電壓緩沖器、精密基準電壓源以及專(zhuān)有上電/關(guān)斷控制電路。AD5764采用ADI公司的工業(yè)CMOS (iCMOS?)制造工藝技術(shù)設計，該工藝集高壓互補雙極性晶體管和亞微米CMOS于一體。它還有一個(gè)模擬溫度傳感器，每通道均有對應的數字失調和增益調整寄存器。

電路概覽：低壓?jiǎn)坞娫碊AC和外部信號調理

圖2顯示如何利用LVSS DAC產(chǎn)生工業(yè)應用所需的10 V輸出范圍。它由5個(gè)不同的模塊組成：LVSS DAC、基準電壓源、失調調整、基準電壓緩沖器和輸出放大器。

圖2. 分立式±10 V模擬輸出框圖

DAC提供數字碼以相對于基準電壓轉換輸出電壓。失調調整模塊提供偏移DAC單極性傳遞函數以產(chǎn)生雙極性輸出的功能，以及校準0 V端點(diǎn)的功能?；鶞孰妷壕彌_器為基準電壓和失調調整模塊提供負載隔離(多個(gè)DAC可共用這一緩沖輸出)。輸出放大器在計入失調調整后，提供所需的增益來(lái)將輸出擺幅提高到所需電平。此外，輸出放大器還提供將大容性負載驅動(dòng)到供電軌的功能。

圖3所示電路說(shuō)明了如何放大一個(gè)精密LVSS 16位DAC來(lái)實(shí)現10 V的輸出擺幅。DAC具有0到2.5 V輸出范圍，連接到放大器U3的同相輸入端。此輸入的同相增益為(1 + R2/R1)，本例中為8。運算放大器的反相輸入端連接到基準電壓源和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )U6產(chǎn)生的1.429 V電壓。此輸入的反相增益為(–R2/R1)，本例中為–7。因此，當DAC設為0代碼0000h時(shí)，此電路的輸出為：

(0/65535 2.5 8) – (7 1.429 V) = –10 V.

當DAC設置為滿(mǎn)量程代碼FFFFh時(shí)，輸出為：

(65535/65535 2.5 8) – (7 1.429 V) = +10 V.

一般而言，任意輸入代碼的輸出電壓可以按如下公式計算：

其中D代表精密16位DAC(如同本例)的十進(jìn)制輸入代碼(0至65535)。VREF = 2.5 V，R1 = R，R2 = 7 R。利用一個(gè)帶非易失性存儲器的數字電位計來(lái)調整系統的零失調誤差，這樣即使斷電也能保留失調值?？梢赃x擇U7、U6和R3來(lái)形成電阻網(wǎng)絡(luò )，以便提供0 V所需的調整范圍?？梢暂p松進(jìn)行配置PLC模擬輸出模塊所需的其他輸出范圍，例如+5 V、5 V、+10 V或10.8 V (適用于超量程較為重要的情況)。

圖 3. 10 V精密模擬輸出電路詳情

該電路包括如下器件：U1—ADR421，精密、低噪聲2.5 V基準電壓源，3 ppm/°C漂移，MSOP封裝;U2—AD5062，16位、最大1 LSBINL、5 V/3 V電源、串行輸入nanoDAC，SOT-23封裝;U3和U5—OP1177，精密運算放大器，15 V電源，MSOP封裝;U4和U6—帶ESD保護的精密電阻網(wǎng)絡(luò );U7—AD5259，256抽頭非易失性數字電位計，MSOP封裝。

有關(guān)AD5062的更多信息16位AD5062保證單調性，最大DNL和INL誤差為1 LSB。其單極性輸出的最大失調誤差為50 V，最大增益誤差為0.02%。高速串行接口支持高達30 MHz的時(shí)鐘速率。 該器件采用SOT-23小型封裝。