一款溫度漂移為0.1ppm/oC的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室等級(jí)20位DAC

引言

　　近來，高精度、儀表等級(jí)的數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)取得了明顯的進(jìn)步。10年以前，12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)就被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)器件。如今，16位DAC已經(jīng)面市，而且在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也越來越普遍。這些16位DAC是真正的精密型器件，其線性誤差小于1LSB，溫度漂移低于1ppm/℃。但是，有些DAC應(yīng)用還需要更高的性能。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、儀器、校準(zhǔn)儀表、激光修整器、醫(yī)療電子產(chǎn)品以及其它應(yīng)用常常需要16位以上的DAC準(zhǔn)確度。人們已經(jīng)生產(chǎn)出了電路組件形式的18位DAC，不過它們價(jià)格昂貴，并且需要進(jìn)行經(jīng)常性的校準(zhǔn)。準(zhǔn)確度達(dá)20位甚至23位以上(0.1ppm/℃!)的DAC由手動(dòng)開關(guān)式開爾文-華萊(Kelvin-Varley)分壓器來提供。這些器件雖然具有令人驚嘆的準(zhǔn)確度，但缺點(diǎn)是體積龐大、速度緩慢且價(jià)格極為昂貴。其應(yīng)用領(lǐng)域一般局限于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。一項(xiàng)有益的開發(fā)將是一款易于構(gòu)造且無需頻繁校準(zhǔn)的實(shí)用型20位(1ppm) DAC。

　　20位DAC架構(gòu)

　　圖1描繪了一款20位(1ppm)DAC的架構(gòu)。該電路基于一款刻度和零點(diǎn)漂移低于0.02ppm/℃的真正1ppm模數(shù)轉(zhuǎn)換器的面市。這款型號(hào)為L(zhǎng)TC?400的器件在數(shù)字校正環(huán)路被用作一個(gè)反饋組件，以實(shí)現(xiàn)20位DAC。

　　圖1: 基于環(huán)路的20位DAC概念圖。數(shù)字比較允許模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)DAC誤差進(jìn)行校正。LTC2400 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的低不確定性特征有望實(shí)現(xiàn)1ppm的輸出準(zhǔn)確度

　　實(shí)際上，“從屬”20位DAC的輸出由“主控”LTC2400 模數(shù)轉(zhuǎn)換器來監(jiān)視，后者將數(shù)字信息饋送至一個(gè)代碼比較器。該代碼比較器負(fù)責(zé)區(qū)分用戶輸入字和LTC2400的輸出，并向從屬DAC提供一個(gè)校正代碼。環(huán)路以這種方式把從屬DAC的漂移和非線性連續(xù)校正至一個(gè)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和VREF所決定的準(zhǔn)確度。對(duì)DAC的唯一要求是其應(yīng)具備單調(diào)性。環(huán)路中的其它組件均無需穩(wěn)定。

　　該環(huán)路具有諸多合乎要求的屬性。如前文所述，準(zhǔn)確度限值是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器及其基準(zhǔn)來設(shè)定的。其它組件均無需穩(wěn)定。此外，環(huán)路特性還對(duì)低階位變址和抖動(dòng)進(jìn)行了平均處理，從而消除了環(huán)路所固有的小信號(hào)不穩(wěn)定性。最后，可采用傳統(tǒng)的遠(yuǎn)端采樣或通過把模數(shù)轉(zhuǎn)換器置于負(fù)載側(cè)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采樣。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用SO-8封裝，且外部組件極少，因而使得這種數(shù)字化開爾文(Kelvin)檢測(cè)電路成為一種實(shí)用型方案。

　　電路細(xì)節(jié)

　　圖2為該1ppm DAC的詳細(xì)原理圖。從屬DAC由兩個(gè)DAC組成。代碼比較器輸出的較高16位被饋送至一個(gè)16位DAC(“MSB DAC”)，而較低的位則被一個(gè)單獨(dú)的DAC     (“LSB DAC”)所轉(zhuǎn)換。雖然向兩個(gè)DAC提供了總共32位，但有8位是重疊的，因而可在所有的條件下保證環(huán)路捕獲特性。組合式DAC的合成24位分辨率提供了低于第20位的4位變址范圍，從而確保了一個(gè)1ppm精度等級(jí)的穩(wěn)定LSB。A1和A2把DAC的輸出電流變換為電壓，并在A3上相加。對(duì)A3的放大系數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)脑O(shè)置，以使校正環(huán)路能夠始終捕獲并校正零標(biāo)度和全標(biāo)度誤差的任何組合。A3的輸出(即電路輸出)被饋送至LTC2400模數(shù)轉(zhuǎn)換器。LT?010提供緩沖處理以驅(qū)動(dòng)負(fù)載和電纜。由代碼比較器來區(qū)分該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸出和輸入字，并產(chǎn)生一個(gè)校正代碼。該校正代碼被加至MSB和LSB DAC，從而對(duì)反饋環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。環(huán)路的完整性由模數(shù)轉(zhuǎn)換器和電壓基準(zhǔn)誤差來決定。采用5V供電電源的模數(shù)轉(zhuǎn)換器上的電阻器和二極管可保護(hù)其免遭意外A3輸出(上電、瞬變、掉電等)的損壞。A4是一個(gè)基準(zhǔn)負(fù)輸出轉(zhuǎn)換器，而A5則負(fù)責(zé)向兩個(gè)DAC提供一個(gè)干凈的接地電位。

圖2 1ppm DAC的細(xì)節(jié)

　　線性度考慮

　　模數(shù)線性度決定了DAC的總體線性度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有約 ±2ppm的非線性度。在容許該誤差的應(yīng)用中，可將其忽略不計(jì)。如果需要1ppm的線性度，則可通過利用軟件方法對(duì)殘余的線性度誤差進(jìn)行校正來實(shí)現(xiàn)。

　　DC性能特征

圖3 線性度曲線顯示了在所有代碼條件下誤差均不超過1ppm

　　圖3描繪了線性度與輸出代碼的關(guān)系曲線。數(shù)據(jù)顯示：在所有的代碼條件下線性度誤差均不超過1ppm。由圖4可見，在0.1Hz至10Hz通帶中測(cè)得的輸出噪聲約為0.2LSB。設(shè)備的局限性 (它設(shè)定了一個(gè)約0.2mV 的噪聲層) 對(duì)該測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生了輕微的負(fù)面影響。

 圖4 輸出噪聲低于1uV

　　動(dòng)態(tài)性能

　　模數(shù)的轉(zhuǎn)換速率與環(huán)路的采樣數(shù)據(jù)特性和低速放大器組合起來，規(guī)定了一個(gè)較低的DAC響應(yīng)。圖5的轉(zhuǎn)換響應(yīng)需要大約150ms的時(shí)間。

圖5 DAC輸出全標(biāo)度轉(zhuǎn)換特性

　　如圖6所示，至1ppm(±5mV)以內(nèi)的全標(biāo)度DAC穩(wěn)定時(shí)間約需1400ms。一個(gè)500mV的較小階躍(圖7)僅需100ms的時(shí)間便可穩(wěn)定至1ppm以內(nèi)。

圖6 在一個(gè)全標(biāo)度階躍后的高分辨率穩(wěn)定情況，穩(wěn)定時(shí)間是1400ms至1ppm以內(nèi)

圖7 對(duì)于一個(gè)500uV的轉(zhuǎn)換，小階躍僅需100ms的時(shí)間便可穩(wěn)定至1ppm以內(nèi)

　　結(jié)語

　　表1給出了1ppm DAC規(guī)格的概要。這些規(guī)格應(yīng)被視作指導(dǎo)準(zhǔn)則，因?yàn)椴煌倪x項(xiàng)和顯著的偏差將對(duì)性能產(chǎn)生影響。請(qǐng)參閱相應(yīng)的附錄，以了解設(shè)計(jì)的詳細(xì)說明書和折衷方案。