電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路是一個18位線性、低噪聲、精密雙極性(±10 V)電壓源，所需外部元件的數(shù)量極少。 AD5780 是一款18位、無緩沖電壓輸出DAC,采用最高33 V的雙極性電源供電。正基準(zhǔn)電壓輸入范圍為5 V至VDD – 2.5V,負(fù)基準(zhǔn)電壓輸入范圍為VSS + 2.5 V至0V.兩路基準(zhǔn)電壓輸入均在片內(nèi)緩沖，無需外部緩沖。相對精度最大值為±1 LSB,保證工作單調(diào)性，微分非線性(DNL)最大值為±1 LSB.
精密運算放大器AD8675 具有低失調(diào)電壓(最大值75 μV)和低噪聲(典型值2.8 nV/√Hz)特性，是AD5780的最佳輸出緩沖器。AD5780具有兩個內(nèi)部匹配的前饋和反饋電阻，這些電阻連接到運算放大器AD8675,并提供10 V偏移電壓。因此，采用單個10 V外部基準(zhǔn)電壓源時，輸出電壓擺幅可以達(dá)到±10 V.
該電路的數(shù)字輸入采用串行輸入，并與標(biāo)準(zhǔn)SPI、QSPI、MICROWIRE?和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容。對于高精度應(yīng)用，通過結(jié)合使用AD5780、ADR445 和AD8675等精密器件，這個緊湊的電路可以提供高精度和低噪聲性能。
這一器件組合可以提供業(yè)界領(lǐng)先的18位分辨率、±1 LSB積分非線性(INL)和±0.75 LSB微分非線性(DNL)，可以確保單調(diào)性，并且具有低功耗、小尺寸PCB、高性價比等特性，采用LFCSP封裝。
圖1. 18位精密、±10V電壓源(原理示意圖：未顯示去耦和所有連接)
電路描述
圖1所示數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)為AD5780,這是一款SPI接口的18位高壓轉(zhuǎn)換器，提供±1 LSB INL、±0.75 LSB DNL和7.5 nV/√Hz噪聲頻譜密度。另外，AD5780還具有極低的溫漂(0.005 LSB/°C)特性。
在圖1中，AD5780配置為增益為2的模式，這樣便可以用單基準(zhǔn)電壓源來產(chǎn)生對稱的雙極性輸出電壓范圍。此工作模式采用外部運算放大器(A2)和片內(nèi)電阻(參見AD5780數(shù)據(jù)手冊)來提供2倍的增益。這些內(nèi)部電阻相互之間以及與DAC梯形電阻之間均熱匹配，因而可實現(xiàn)比率熱跟蹤。輸出緩沖器同樣采用AD8675,它具有低噪聲和低漂移特性。該放大器(A1)還用于將低噪聲ADR445的+5 V基準(zhǔn)電壓放大至+10 V.此增益電路中的R2和R3為精密金屬薄片電阻，其容差和溫度系數(shù)電阻分別為0.01%和0.6 ppm/°C.要在整個溫度范圍內(nèi)達(dá)到最佳性能，R1和R2應(yīng)處于單個封裝內(nèi)，如Vishay 300144或VSR144系列。R2和R3均選用1 kΩ，以便將系統(tǒng)噪聲保持在較低水平。R1和C1構(gòu)成低通濾波器，截止頻率大約為10 Hz.該濾波器用于衰減基準(zhǔn)電壓源噪聲。
線性度測量
利用Agilent 3458A萬用表，在EVAL-AD5780SDZ 評估板上演示圖1所示電路的精密性能。圖2顯示積分非線性與DAC代碼具有函數(shù)關(guān)系，且位于±1 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。
圖2. 積分非線性與DAC碼的關(guān)系
圖3顯示微分非線性與DAC代碼具有函數(shù)關(guān)系，且位于?0.25 LSB至+0.75 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。
圖3. 微分非線性與DAC碼的關(guān)系
噪聲漂移測量
要實現(xiàn)高精度，電路輸出端的峰峰值噪聲必須維持在1 LSB以下，對于18位分辨率和20 V峰峰值電壓范圍則為76.29 μV.
實時噪聲應(yīng)用中不會在0.1 Hz處有高通截止頻率來衰減1/f噪聲，但會在其通帶中包含低至DC的頻率;因此，測得的峰峰值噪聲更為實際，如圖4所示。本例中，電路輸出端的噪聲是在100秒內(nèi)測得的，測量充分涵蓋低至0.01 Hz的頻率。截止頻率上限大約為14 Hz并受限于測量設(shè)置。
圖4顯示三種條件下的峰峰值：1.2 μV(零電平輸出)、32 μV(中間電平輸出)和64 μV(滿量程輸出)。
零電平輸出電壓的噪聲最低，此時噪聲僅來自DAC內(nèi)核。選擇零電平碼時，DAC會衰減各基準(zhǔn)電壓路徑的噪聲貢獻(xiàn)。
圖4. 100秒內(nèi)測得的DAC輸出電壓噪聲：滿量程(紅色)、中間電平(綠色)和零電平(藍(lán)色)
隨著測量時間變長，較低頻率將包含在內(nèi)，而峰峰值將變大。頻率較低時，溫度漂移和熱電偶效應(yīng)會變成誤差源。通過選擇熱系數(shù)較小的器件可以將上述效應(yīng)降至最小。在此電路中，低頻1/f噪聲的主要來源是基準(zhǔn)電壓源。另外，基準(zhǔn)電壓源的溫度系數(shù)值也是電路中最大的，為3 ppm/°C.為了改善中間電平和滿量程DAC輸出噪聲，需要使用溫度控制的超低噪聲基準(zhǔn)電壓源。
圖5顯示用+5 V Krohn Hite 523型精密基準(zhǔn)電壓源取代ADR445后的信號鏈性能。[!--empirenews.page--]
圖5. 采用精密基準(zhǔn)電壓源時，100秒內(nèi)測得的DAC輸出電壓噪聲：滿量程(紅色)、中間電平(綠色)和零電平(藍(lán)色)
常見變化
AD5780支持各種不同的輸出范圍，從0 V至+5 V、最高±10 V以及該范圍內(nèi)的任意值。如果需要對稱輸出范圍，則可以使用增益為2的配置，如圖1所示。通過將AD5780內(nèi)部控制寄存器的RBUF位設(shè)為邏輯0,即可選中此模式。如果需要非對稱范圍，則可以在VREFP和VREFN上施加單獨的基準(zhǔn)電壓源;而輸出緩沖器應(yīng)該如AD5780數(shù)據(jù)手冊中所述配置為提供單位增益。這可以通過將AD5780內(nèi)部控制寄存器的RBUF位設(shè)為邏輯1來實現(xiàn)。
AD8676是運算放大器AD8675 的雙通道版本，需要時可以用于該電路。
電路評估與測試
設(shè)備要求
系統(tǒng)演示平臺(EVAL-SDP-CB1Z)
EVAL-AD5780SDZ評估板和軟件
Agilent 3458A萬用表
PC(Windows 32位或64位)
National Instruments GPIB轉(zhuǎn)USB-B接口電纜
SMB電纜(1)
軟件安裝
AD5780評估套件包括一張光盤，其中含有自安裝軟件。該軟件兼容Windows XP (SP2)和Vista(32位和64位)。如果安裝文件未自動運行，您可以運行光盤中的setup.exe文件。
請先安裝評估軟件，再將評估板和SDP板連接到PC的USB端口，確保PC能夠正確識別評估系統(tǒng)。
●光盤文件安裝完畢后，按照UG-256的"電源"部分所述為AD5780評估板接通電源。將SDP板(通過連接器A或連接器B)連接到AD5780評估板，然后利用附送的電纜連接到PC的USB端口。
●檢測到評估系統(tǒng)后，確認(rèn)出現(xiàn)的所有對話框。這樣就完成了安裝。
圖6. 評估軟件主窗口
功能框圖
測試配置的功能框圖如圖7所示。
圖7. 測試設(shè)置功能框圖
電源配置
必須提供下列電源：
●AD5780的數(shù)字電源：在連接器J1的VCC與DGND之間提供3.3 V電源?；蛘邔㈡溌?放在位置A,以便從USB端口通過SDP板為數(shù)字電路供電(默認(rèn)設(shè)置)。
●AD5780的正模擬電源：在J2的VDD與AGND輸入之間提供+12 V至+16.5 V的電源。
●AD5780的負(fù)模擬電源：在J2的VSS與AGND輸入之間提供?12 V至?16.5 V的電源。
鏈路配置設(shè)置
默認(rèn)鏈路選項如表1所示。該板的默認(rèn)配置為：VREFP = +10 V,VREFN = ?10 V,輸出范圍為±10 V。
要將該板配置為圖1所示電路，必須對表1中的默認(rèn)鏈路配置進(jìn)行如下改動：
●將LK3放在位置B
●插入LK4
●將LK8放在位置B
這些改動將輸出緩沖放大器的增益配置為2,并將AD5780的VREFN引腳連接到地。
測試
VOUT_BUF SMB連接器連接到Agilent 3458A萬用表。線性度測量利用AD5780 GUI上的"測量DAC輸出"選項卡進(jìn)行。
噪聲漂移測量也是在VOUT_BUF SMB連接器上進(jìn)行。輸出電壓利用AD5780 GUI上的"設(shè)置電壓"選項卡進(jìn)行。峰峰值噪聲漂移的測量時間為100秒。
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