【導讀】許多現代工業和儀器儀表系統可以接入多個不同電源，最常見的是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擺幅驅動外部大負載。本文討論為這些應用選擇數模轉換器(DAC)時遇到的各種權衡因素，并且提出了詳細的電路原理圖。
電路描述
許多現代工業和儀器儀表系統可以接入多個不同電源，最常見的是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擺幅驅動外部大負載。本文討論為這些應用選擇數模轉換器(DAC)時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)、過程控制或電機控制等工業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。為了選擇最適合應用的方法，用戶必須了解輸出要求，并且知道每種方案的優勢或不足。
能夠直接產生所需輸出擺幅的雙極性DAC具有多項值得考慮的優勢和不足。主要優勢包括：
* 簡單。電路板的設計得以簡化，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，因而可簡化系統設計。
* 可制造性和可靠性得到提高，因為不需要放大器、開關和電阻等分立式器件。有時也會集成基準電壓源。
* 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有時在數據手冊中有規定。
* 端點誤差。某些情況下，雙極性DAC包括校準特性，能夠隨時調整系統失調和增益誤差。
雙極性DAC的主要缺點包括：
* 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行優化。雖然數據手冊給出的范圍可能與系統中的實際負載匹配，但其他參數(如建立時間或功耗等)可能無法滿足系統要求。
* 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是另一種產生工業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，使得微控制器有時間來處理更多任務。
* 輸出可能必須提供大電流或驅動雙極性DAC片內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用需要。
* 很容易實現超量程特性(10 V標稱范圍提供10.8 V輸出)，為最終用戶提供更大的應用靈活性，例如在需要打開或關閉磨損閥門的應用中。
* 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包括：
* 需要花費更多的時間來優化電路板和設計端點調整電路。
* 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。對于必須驅動大容性負載(1 μF)，同時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，但簡單的設計和不費力的TUE計算使其對廣泛的工業和儀器儀表應用很有吸引力。
下面的討論說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單電源DAC實現精密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，但最近的工藝進步和設計技術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。熱關斷、短路保護等故障保護模式，以及上電/關斷等狀況下的輸出控制，是雙極性DAC通常會集成的重要特性，可以簡化系統設計。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。其標稱滿量程輸出范圍為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有上電/關斷控制電路。AD5764采用ADI公司的工業CMOS (iCMOS?)制造工藝技術設計，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：低壓單電源DAC和外部信號調理
圖2顯示如何利用LVSS DAC產生工業應用所需的10 V輸出范圍。它由5個不同的模塊組成：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生雙極性輸出的功能，以及校準0 V端點的功能。基準電壓緩沖器為基準電壓和失調調整模塊提供負載隔離(多個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到供電軌的功能。
圖3所示電路說明了如何放大一個精密LVSS 16位DAC來實現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絡U6產生的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，此電路的輸出為：
(0/65535 2.5 8) – (7 1.429 V) = –10 V.
當DAC設置為滿量程代碼FFFFh時，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)的十進制輸入代碼(0至65535)。VREF = 2.5 V，R1 = R，R2 = 7 R。利用一個帶非易失性存儲器的數字電位計來調整系統的零失調誤差，這樣即使斷電也能保留失調值。可以選擇U7、U6和R3來形成電阻網絡，以便提供0 V所需的調整范圍。可以輕松進行配置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保護的精密電阻網絡；U7—AD5259，256抽頭非易失性數字電位計，MSOP封裝。
有關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的時鐘速率。 該器件采用SOT-23小型封裝。
結論
越來越多的工業和儀表應用要求使用精密轉換器來實現各種工藝的精確控制與測量。此外，這些最終應用還要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時降低成本和電路板面積。元件制造商正在解決這些難題，并推出了一系列產品來滿足系統設計人員對當前與未來設計的要求。
如本文所述，有多種途徑可選擇合適的元件用于精密應用，每一種都各有優缺點。隨著系統精度的提高，人們需要更加注重合適元件的選擇，以滿足應用要求。
