許多現(xiàn)代工業(yè)和儀器儀表系統(tǒng)可以使用幾種不同的電源，最常見的是模擬電路為15 V，數(shù)字邏輯為3 V或5 V。這些應(yīng)用中的大多數(shù)要求輸出以10 V擺幅驅(qū)動(dòng)大型外部負(fù)載。本文討論了為這些應(yīng)用選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）時(shí)遇到的各種權(quán)衡，并提出了詳細(xì)的電路圖。

可編程邏輯控制器 （PLC）、過程控制或電機(jī)控制等工業(yè)應(yīng)用中的模擬輸出系統(tǒng)需要 0 V 至 10 V 或 >10 V 的單極性或雙極性電壓擺幅。一種可能的解決方案是選擇可以直接產(chǎn)生所需輸出電壓的雙極性輸出DAC。另一種解決方案是使用低壓單電源（LVSS）DAC，將輸出電壓放大到所需的輸出電平。為應(yīng)用選擇最佳方法需要用戶了解輸出要求，并認(rèn)識(shí)到每種解決方案的主要優(yōu)點(diǎn)或局限性。

能夠直接產(chǎn)生所需輸出擺幅的雙極性DAC有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)和局限性值得考慮。主要優(yōu)勢(shì)包括：

簡單—電路板的設(shè)計(jì)不太復(fù)雜，因?yàn)樗璧? V至10 V或>10 V輸出電平可通過硬件或軟件配置直接獲得。此外，通常集成故障保護(hù)模式，從而簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

提高可制造性和可靠性，因?yàn)椴恍枰?a href="http://m.xsypw.cn/tags/放大器/" target="_blank">放大器、開關(guān)和電阻器等分立元件。有時(shí)還集成了基準(zhǔn)電壓源。

測(cè)量系統(tǒng)誤差和總非調(diào)整誤差（TUE）—保證線性度、噪聲、失調(diào)和漂移規(guī)格，并且通過對(duì)DAC內(nèi)的各種誤差源求和，可以輕松計(jì)算整體系統(tǒng)誤差或TUE。TUE有時(shí)會(huì)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定。

端點(diǎn)誤差—在某些情況下，雙極性DAC具有校準(zhǔn)功能，允許即時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)失調(diào)和增益誤差調(diào)整。

雙極DAC的主要缺點(diǎn)包括：

靈活性有限—集成高壓放大器可能不是應(yīng)用的最佳選擇。輸出放大器通常針對(duì)特定的負(fù)載和噪聲要求進(jìn)行優(yōu)化。即使數(shù)據(jù)手冊(cè)中指定的范圍可能與系統(tǒng)中的實(shí)際負(fù)載相匹配，其他參數(shù)（如建立時(shí)間或功耗）也可能不符合系統(tǒng)規(guī)格。

成本和電路板面積——雙極性DAC通常采用較大幾何形狀的工藝設(shè)計(jì)，導(dǎo)致芯片和封裝更大、更昂貴。

使用具有外部信號(hào)調(diào)理功能的低壓DAC是產(chǎn)生工業(yè)應(yīng)用所需的高壓輸出擺幅和跨度的另一種方法。同樣，有一些重要的權(quán)衡值得考慮。分立式解決方案的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

LVSS DAC往往具有更高級(jí)別的所需邏輯集成和更高速的邏輯接口，從而釋放微控制器用于其他任務(wù)。

輸出可能必須提供大電流或驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載，而雙極性DAC的片內(nèi)放大器無法處理這些負(fù)載。分立式解決方案允許選擇適合應(yīng)用的最佳獨(dú)立放大器。

可以輕松實(shí)現(xiàn)超量程功能（10 V 標(biāo)稱量程上的 10.8 V 輸出），為最終用戶在需要打開或關(guān)閉隨時(shí)間磨損的閥門等應(yīng)用中提供額外的靈活性。

成本—LVSS DAC通常比雙極性DAC便宜，從而降低了整體物料清單成本。

減少電路板面積—LVSS DAC采用低壓亞微米或深亞微米工藝設(shè)計(jì)，采用小型封裝。

分立式解決方案的主要缺點(diǎn)包括：

額外的設(shè)計(jì)時(shí)間需要花在優(yōu)化電路板和設(shè)計(jì)端點(diǎn)調(diào)整電路上。

由于必須考慮其他誤差源，因此計(jì)算總誤差或 TUE 變得更加困難。

隨著分立元件數(shù)量的增加，可制造性和可靠性降低。

應(yīng)用必須具有可用的低壓電源（5 V或3 V）。

總之，在精密工業(yè)10 V應(yīng)用的設(shè)計(jì)中需要考慮許多因素。顯然，設(shè)計(jì)人員必須充分了解輸出負(fù)載要求和系統(tǒng)中可以容忍的總體誤差。此外，電路板面積和成本是選擇最佳解決方案的重要因素。對(duì)于必須驅(qū)動(dòng)大容性負(fù)載（1 μF）但需要低噪聲和快速建立（20 V量程為<10 s）的應(yīng)用，分立式方案幾乎總是最佳方法。雖然雙極性DAC在靈活性方面永遠(yuǎn)無法與分立解決方案相媲美，但它們的簡單性和簡單的TUE計(jì)算相結(jié)合，使其在廣泛的工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用中具有吸引力。

以下討論說明如何使用雙電源雙極性輸出DAC和低壓單電源DAC以及外部信號(hào)調(diào)理來實(shí)現(xiàn)精密10 V輸出。

電路概述：雙電源雙極性輸出DAC

功能框圖（如圖1所示）說明了雙極性輸出DAC的主要元件。它由精密DAC、基準(zhǔn)、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)用已被證明是困難的，但最近的工藝改進(jìn)和設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)在允許在片上設(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)和上電/斷電等條件下的輸出控制等故障保護(hù)模式是雙極性DAC通常集成的關(guān)鍵特性，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。DAC提供相對(duì)于基準(zhǔn)電壓源的數(shù)字代碼至電壓輸出轉(zhuǎn)換。調(diào)整模塊提供了偏移和縮放DAC傳遞函數(shù)的能力。

圖1.AD5764雙極性DAC的功能框圖

有關(guān)AD5764的更多信息

AD5764四通道、16位串行輸入、電壓輸出DAC采用12 V至15 V電源供電。該器件的標(biāo)稱滿量程輸出范圍為10 V，包括輸出放大器、基準(zhǔn)電壓緩沖器、精密基準(zhǔn)電壓源和專有的上電/關(guān)斷控制電路。它還具有模擬溫度傳感器以及每個(gè)通道的數(shù)字失調(diào)和增益調(diào)整寄存器。AD5764采用ADI公司的工業(yè)CMOS（iCMOS）制造工藝技術(shù)設(shè)計(jì)，該技術(shù)將高壓互補(bǔ)雙極晶體管與亞微米CMOS相結(jié)合。?

電路概述：低壓單電源DAC和外部信號(hào)調(diào)理

圖2顯示了如何使用LVSS DAC為工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生10 V輸出范圍。它由五個(gè)不同的模塊組成：LVSS DAC、基準(zhǔn)電壓源、失調(diào)調(diào)整、基準(zhǔn)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提供相對(duì)于基準(zhǔn)電壓源的數(shù)字代碼至電壓輸出轉(zhuǎn)換。失調(diào)調(diào)整能夠失調(diào)DAC的單極性傳遞函數(shù)以產(chǎn)生雙極性輸出，并能夠校準(zhǔn)0 V端點(diǎn)。基準(zhǔn)電壓緩沖器為基準(zhǔn)電壓源和失調(diào)調(diào)整模塊提供負(fù)載隔離（多個(gè)DAC可以共享此緩沖輸出）。輸出放大器對(duì)失調(diào)調(diào)整求和，并提供所需的增益，以將輸出擺幅提高到所需水平。此外，輸出放大器能夠?qū)⒋笕菪载?fù)載驅(qū)動(dòng)至電源軌。

圖3中的電路說明了如何放大精密LVSS 16位DAC以實(shí)現(xiàn)10 V的輸出擺幅。DAC具有0至2.5 V輸出范圍，并連接到放大器U3的同相輸入。該輸入的同相增益為（1 + R2/R1），在本例中為8。運(yùn)算放大器的反相輸入連接到基準(zhǔn)電壓源和電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)U6產(chǎn)生的1.429 V電壓。該輸入的反相增益為（–R2/R1），在本例中為–7。因此，該電路的輸出將DAC編程為零代碼0000h，為：

圖3.精密 10 V 模擬輸出的電路細(xì)節(jié)。

將DAC編程為滿量程代碼FFFFh時(shí)，輸出為

通常，任何輸入代碼的輸出電壓都可以計(jì)算如下：

其中 D 表示精密 16 位 DAC（0 到 65535）的十進(jìn)制格式輸入代碼，如本例所示。與 V裁判= 2.5 V，R1 = R，R2 = 7 R。非易失性存儲(chǔ)器數(shù)字電位計(jì)用于調(diào)整系統(tǒng)的零失調(diào)誤差，因此即使在電源關(guān)斷的情況下也能保留失調(diào)值。可以選擇由U7、U6和R3組成的電阻網(wǎng)絡(luò)，以提供0 V時(shí)所需的調(diào)節(jié)范圍。PLC模擬輸出模塊所需的其他輸出范圍，如+5 V、5 V、+10 V或10.8 V（在超量程可能很重要的情況下），可以輕松配置。

該電路由以下元件組成：U1—ADR421，精密、低噪聲2.5 V基準(zhǔn)電壓源，3 ppm/°C漂移，MSOP封裝，U2—AD5062，16位，1 LSB最大值INL，5V/3V電源，串行輸入納米DAC?，SOT-23 封裝，U3 和 U5—OP1177，精密運(yùn)算放大器，15 V 電源，MSOP 封裝 U4 和 U6 — 帶 ESD 保護(hù)的精密電阻網(wǎng)絡(luò)，U7—AD5259，256 抽頭非易失數(shù)字電位計(jì)，MSOP 封裝。

有關(guān)AD5062的更多信息

16位AD5062保證單調(diào)性，具有1 LSB最大值DNL和INL。其單極性輸出具有50 V最大失調(diào)誤差和0.02%最大增益誤差。其高速串行接口支持高達(dá) 30 MHz 的時(shí)鐘速度。它采用微型 SOT-23 封裝。

結(jié)論

越來越多的工業(yè)和儀器儀表應(yīng)用需要精密轉(zhuǎn)換器來精確控制和測(cè)量各種過程。此外，這些終端應(yīng)用要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時(shí)降低成本和電路板面積。組件制造商正在應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，并提供多種產(chǎn)品來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員對(duì)當(dāng)前和未來設(shè)計(jì)的需求。

從本文可以看出，為精密應(yīng)用選擇合適的組件有許多不同的方法，每種方法都有其相關(guān)的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。隨著系統(tǒng)精度的提高，需要花更多的心思來選擇合適的組件以滿足應(yīng)用需求。

審核編輯：郭婷