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  精密數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)是高性能信號(hào)處理系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換組件，這些DAC被用于多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)和應(yīng)用。例如，通信行業(yè)的無(wú)線與有線應(yīng)用，工業(yè)市場(chǎng)從80系統(tǒng)到大型工業(yè)控制器，醫(yī)療系統(tǒng)中的患者監(jiān)測(cè)或成像系統(tǒng)等......ADI提供了非常豐富的DAC產(chǎn)品組合，分辨率從8位到20位，在性能、尺寸、功耗和易用等特性上都具有行業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。本文將結(jié)合該公司的DAC產(chǎn)品，看在各種應(yīng)用中高精度DAC如何從組件到信號(hào)鏈級(jí)別的各種具有挑戰(zhàn)性的偏置和控制應(yīng)用。

  選擇最佳的DAC

  DAC市場(chǎng)非常龐大，僅ADI公司每年為各種應(yīng)用銷售數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的器件。有時(shí)候DAC不是用在主信號(hào)鏈中，而是構(gòu)成支持電路的一部分，它執(zhí)行外圍功能，例如提供控制信號(hào)電平設(shè)置或校準(zhǔn)功能。這些應(yīng)用對(duì)于任何終端系統(tǒng)的成功都是至關(guān)重要的，但它們通常不是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的關(guān)注重點(diǎn)。因此，很難確定在此類系統(tǒng)中DAC用于什么目的，以及何時(shí)需要此類產(chǎn)品。

  DAC在信號(hào)鏈中可以執(zhí)行很多功能，例如偏置的生成、失調(diào)和增益控制、定位和控制，以及像波形的產(chǎn)生等。下圖顯示了一些主要的高端最終應(yīng)用，在這些應(yīng)用中經(jīng)?？梢哉业教囟üδ艿腄AC。

精密DAC適合于要求1LSB(最低有效位)或更小誤差的高精度、高達(dá)20位分辨率的應(yīng)用;Nano DAC是ADI受歡迎的低壓?jiǎn)坞娫串a(chǎn)品系列，功耗低，解決方案尺寸最小，適合于需要高密度且存在空間限制的應(yīng)用;digiPOT系列產(chǎn)品可以用于簡(jiǎn)化開(kāi)環(huán)應(yīng)用或匹配容差，提供易失性和非易失性存儲(chǔ)解決方案，支持最多1024位調(diào)整應(yīng)用;直接數(shù)字頻率合成和阻抗轉(zhuǎn)換器可提供快速采集和高精度調(diào)諧分辨率，DDS的目標(biāo)應(yīng)用是需要精密或敏捷的頻率和相位控制的應(yīng)用。ADI還有乘法DAC輸出和雙極性DAC產(chǎn)品系列，可提供快速建立特性和最高+/-10V的寬輸出范圍。乘法DAC是電流輸出DAC，需要緩沖器才能轉(zhuǎn)換為輸出電壓，此類DAC允許將AC或DC輸入信號(hào)用作基準(zhǔn)電壓;工業(yè)DAC提供廣泛的可編程輸出范圍，從適合標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)路通信的4-20mA到適合執(zhí)行器控制的±10 V，還能與ADI HART調(diào)制解調(diào)器相結(jié)合，為過(guò)程控制和工廠自動(dòng)化應(yīng)用提供可靠且精確的解決方案。下面是兩個(gè)應(yīng)用實(shí)例。

  01基于1 ppm DAC AD5791設(shè)計(jì)精密電壓源

  高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器的常見(jiàn)用途之一是提供可控精密電壓。分辨率高達(dá)20位、精度達(dá)1 ppm且具有合理速率的DAC的應(yīng)用范圍包括醫(yī)療MRI系統(tǒng)中的梯度線圈控制、測(cè)試和計(jì)量中的精密直流源、質(zhì)譜測(cè)定和氣譜分析中的精密定點(diǎn)和位置控制以及科學(xué)應(yīng)用中的光束檢測(cè)。

  半導(dǎo)體處理技術(shù)、DAC架構(gòu)設(shè)計(jì)和快速片內(nèi)校準(zhǔn)技術(shù)的發(fā)展使穩(wěn)定、建立時(shí)間短的高線性度數(shù)模轉(zhuǎn)換器成為可能。這種轉(zhuǎn)換器可提供高優(yōu)于1 ppm的相對(duì)精度、0.05 ppm/°C溫度漂移、0.1 ppm p-p噪聲、優(yōu)于1 ppm的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和1MHz吞吐量。這類小型單芯片器件保證性能規(guī)格，無(wú)需校準(zhǔn)且簡(jiǎn)單易用。AD5791及其配套基準(zhǔn)電壓源和輸出緩沖的典型功能框圖如下圖所示。

  AD5791是一款單芯片、20 位、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有額定的1 LSB積分非線性度(INL)和微分非線性度(DNL)，是單芯片1 ppm 精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(1 LSB@20位為220分之一 = 1 ppm)。該器件設(shè)計(jì)用于高精密儀器儀表以及測(cè)試和計(jì)量系統(tǒng)，與其他解決方案相比，其整體性能有較大提升，具有更高的精度、體積更小、成本更低，使以前不具經(jīng)濟(jì)可行性的儀器儀表應(yīng)用成為可能。

  下圖是采用AD5791數(shù)模轉(zhuǎn)換器的一種精密電壓源電路示意圖，其中以AD5791 (U1)作為精密數(shù)控1 ppm電壓源，電壓范圍為±10V，增量為20 μV;以AD8676 (U2)作為基準(zhǔn)緩沖;以AD8675 (U3)作為輸出緩沖，絕對(duì)精度取決于外置10 V基準(zhǔn)電壓源的選擇。

02基于雙電源雙極性輸出DAC實(shí)現(xiàn)精密10V工業(yè)應(yīng)用

  許多現(xiàn)代工業(yè)和儀器儀表系統(tǒng)可以接入多個(gè)不同電源，最常見(jiàn)的是15V用于模擬電路，3V或5V用于數(shù)字邏輯，其中大部分應(yīng)用要求輸出以10 V擺幅驅(qū)動(dòng)外部大負(fù)載。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。

  雙極性輸出DAC的主要元件如以上功能框圖所示。它由精密DAC、基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖器、失調(diào)和增益調(diào)整以及輸出放大器組成。集成精密基準(zhǔn)電壓源以適應(yīng)16位應(yīng)用非常困難，但最近的工藝進(jìn)步和設(shè)計(jì)技術(shù)允許在片內(nèi)設(shè)計(jì)和集成具有出色漂移和熱特性的基準(zhǔn)電壓源。熱關(guān)斷、短路保護(hù)等故障保護(hù)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(tǒng)設(shè)計(jì)。DAC提供數(shù)字碼以相對(duì)于基準(zhǔn)電壓轉(zhuǎn)換輸出電壓。調(diào)整模塊提供偏移和調(diào)整DAC傳遞函數(shù)的功能。

  AD5062是ADI的nanoDAC系列產(chǎn)品，是一款低功耗、單通道16位無(wú)緩沖電壓輸出DAC，采用2.7 V至5.5 V單電源供電。相對(duì)精度規(guī)格為±1 LSB，保證工作單調(diào)性，微分非線性規(guī)格為±1 LSB。該器件采用靈活的三線式串行接口，能夠以最高30 MHz的時(shí)鐘速率工作，并與標(biāo)準(zhǔn)SPI、QSPI?、MICROWIRE?、DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。AD5062的基準(zhǔn)電壓通過(guò)外部VREF引腳提供。片內(nèi)提供基準(zhǔn)電壓緩沖。該器件內(nèi)置一個(gè)上電復(fù)位電路，確保DAC輸出上電至零電平或中間電平并保持該電平。此外還具有關(guān)斷特性，在關(guān)斷模式下，器件在5 V時(shí)的功耗通常降至300 nA(典型值)，并提供軟件可選輸出負(fù)載?？赏ㄟ^(guò)串行接口進(jìn)入關(guān)斷模式，該器件的總非調(diào)整誤差小于0.8 mV。