許多現(xiàn)代工業(yè)和儀器儀表系統(tǒng)可以接入多個不同電源，最常見的是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10V擺幅驅(qū)動外部大負載。本文討論為這些應(yīng)用選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)時遇到的各種權(quán)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)、過程控制或電機控制等工業(yè)應(yīng)用中的模擬輸出系統(tǒng)，需要0V至10V或10V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單電源(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(yīng)用的方法，用戶必須了解輸出要求，并且知道每種方案的優(yōu)勢或不足。
雙極性DAC的主要優(yōu)勢：
簡單。電路板的設(shè)計得以簡化，因為所需的0 V至10 V或10 V以上輸出電平可直接通過硬件或軟件配置獲得。此外，其通常會集成故障保護模式，因而可簡化系統(tǒng)設(shè)計。
可制造性和可靠性得到提高，因為不需要放大器、開關(guān)和電阻等分立式器件。有時也會集成基準電壓源。
系統(tǒng)誤差和總非調(diào)整誤差(TUE)的測量。保證線性度、噪聲、失調(diào)和漂移特性;對DAC內(nèi)的各種誤差源求和，很容易計算總系統(tǒng)誤差或TUE。TUE有時在數(shù)據(jù)手冊中有規(guī)定。
端點誤差。某些情況下，雙極性DAC包括校準特性，能夠隨時調(diào)整系統(tǒng)失調(diào)和增益誤差。
雙極性DAC的主要缺點：
靈活性有限。集成高壓放大器對應(yīng)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行優(yōu)化。雖然數(shù)據(jù)手冊給出的范圍可能與系統(tǒng)中的實際負載匹配，但其他參數(shù)(如建立時間或功耗等)可能無法滿足系統(tǒng)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(shè)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(diào)理的低壓DAC是另一種產(chǎn)生工業(yè)應(yīng)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(quán)衡因素。
分立式解決方案的主要優(yōu)勢：
LVSS DAC往往具有較高的邏輯集成度和高速邏輯接口，使得微控制器有時間來處理更多任務(wù);
輸出可能必須提供大電流或驅(qū)動雙極性DAC片內(nèi)放大器無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滿足應(yīng)用需要;
很容易實現(xiàn)超量程特性(10 V標稱范圍提供10.8 V輸出)，為最終用戶提供更大的應(yīng)用靈活性，例如在需要打開或關(guān)閉磨損閥門的應(yīng)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(shè)計，可提供小尺寸封裝。
分立式解決方案的主要缺點：
需要花費更多的時間來優(yōu)化電路板和設(shè)計端點調(diào)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(shù)量的增加導致可制造性和可靠性降低;
應(yīng)用必須有低壓電源(5 V或3 V)可用。
總之，在精密10V工業(yè)應(yīng)用的設(shè)計中，有許多因素需要考慮。顯然，設(shè)計人員必須清楚地知道輸出負載要求和系統(tǒng)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(qū)動大容性負載(1μF)，同時要求低噪聲和快速建立(20V范圍小于10s)的應(yīng)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，但簡單的設(shè)計和不費力的TUE計算使其對廣泛的工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用很有吸引力。
圖1.AD7804功能框圖
全CMOS AD7804和AD7805可節(jié)省功耗。除了正常工作時功耗低(最大值66 mW)外，它們在系統(tǒng)待機(僅基準電壓源工作時)的額定功率最大為1.38 mW，在省電模式下的額定功率最大功率為8.25 μW(在整個溫度范圍內(nèi))。此外，四個通道可以在不使用時單獨切換到待機狀態(tài)。每個通道都有一個通道控制寄存器來控制其功能;系統(tǒng)控制寄存器同時控制所有四個DAC。
這些器件具有靈活的電壓基準。REFOUT 提供 1.23 V 內(nèi)部生成的基準電壓源。在通道寄存器的控制下，每個DAC的基準輸入(稱為V偏見) 在內(nèi)部基準源、REFIN端子(用于外部基準)和電源電壓(V(DD/)2)的一半之間多路復用。選擇的電壓，V偏見，提供單電源電路中雙極性信號所需的失調(diào)“零”;DAC針對1.875 V的輸出范圍進行縮放偏見.該表顯示了二進制補碼編碼沿傳遞函數(shù)的重要點。
AD7804和AD7805具有額外的功能，用于獨立調(diào)整每個輸出的失調(diào)(即定位對應(yīng)于V的輸出值)偏見在任意設(shè)置的水平上)。它是一個8位子DAC(如圖1所示，作為每個輸出電路中的可變加法源)，靈敏度是主DAC的1/16。也就是說，子DAC的每個LSB變化都會增加或減去V偏見/4096，范圍約為 ±3% V偏見.子DAC的設(shè)置是每個通道控制寄存器控制下的數(shù)據(jù)輸入。
DAC是雙緩沖的;這樣就可以一次加載一個寄存器，然后同時異步更新所有DAC輸出。DAC輸出可由系統(tǒng)寄存器一次性清零，也可由通道控制寄存器單獨清零。3線串行接口允許直接連接SPI、QSPI和微線標準。
B 級的簡要規(guī)格包括 ±3 LSB 最大相對精度誤差、±35mV 失調(diào)和滿量程增益誤差、4 μs 最大建立時間至 1%、0.002%/% 電源抑制、2.5 V/μs 壓擺率和 1 nV-s 毛刺脈沖。額定工作溫度范圍為 -40 至 +85°C。
應(yīng)用
AD7804(以及AD7805)的低功耗要求以及低成本和小尺寸特性使其適合需要多個10位(或升級的8位)DAC的場合。典型領(lǐng)域包括電壓設(shè)定點控制、微調(diào)電位計更換、自動校準以及其他儀器儀表和測試功能。串行AD7804可以在必須處理噪聲、安全要求或距離的情況下輕松隔離。圖2所示為光隔離接口，其中時鐘、幀同步和串行數(shù)據(jù)輸入由光耦合器隔離。每個DAC在寫入脈沖的第16個串行時鐘之后自動更新。
圖2.采用光隔離接口配置的串行DAC。
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