基于18位數/模轉換芯片DAC9881的原理與設計應用

數/模轉換器是一種將數字量轉換成模擬量的器件，簡稱D／A轉換器或DAC(Digital to Analog Con-vetter)。是數字控制系統中的關鍵器件，用于微處理器輸出的數字信號與電壓或電流等模擬信號的轉換，并送入執行機構進行控制或調節。

　　1 芯片的主要性能特點

　　T1公司的DAC9881是目前最高精確度的D／A轉換芯片。串行輸入、電壓輸出、單電源供電。它采用成熟的HPA07 COMS加工技術，分辨率達到18 b，采用標準的SPI(Serial PeripheralInteRFace)串行數據輸入方式，輸入數據時鐘頻率可達50 MHz，最低有效位穩定至1 LSB，時間僅為5μs，滿足DSP，MCU，FPGA等系統的快速性要求。輸出電壓信號的最大值取決于外部參考電壓+VREF，它的范圍為2．7～5． 5 V；單通道輸出；持續工作時典型功耗為4 mw；最大積分非線性為±2 LSB(INL)；最大微分非線性為±1 LSB(DNL)；具有超寬的工作溫度范圍：-40～+125℃。該DAC芯片的特點是具有線性性質優良，噪音低和輸出轉換特性快速；該芯片通過采用復雜的低噪音緩沖器，使噪音比采用外接元器件構成同等精度的DAC轉換器減少75％，其噪音比為24 nV／Hz。配置可編程掛起(低電壓模式)和運行功能，可以使系統在不需要進行D／A轉換時將DAC芯片掛起，此時輸出近似為0．000 0 V，功耗降到125μW，直到接收到寫命令操作為止。這樣既可顯著地降低系統的功耗，同時還能夠保證在接到寫命令操作后正常寫人數據，無需外加電源控制電路，簡化設計步驟。

　　2 芯片工作原理

　　DAC9881的數據輸入方式為串行輸入，即工作節拍SCLK是和串行二進制數碼定時同步的，輸入端不需要緩沖器，串行二進制數碼在時鐘同步下控制D／A轉換器逐位工作。因此，轉換1個24位輸入數碼需要24個工作節拍周期，即需要24個時鐘周期。串行數據輸入后，經過邏輯網絡，將串行數據轉換為并行數據，進入并行T型電阻網絡(分段式R一2R網絡)，通過保證電阻R的阻值一致性，用微調技術實現對積分線形度及微分線形度進行微調，以實現最優化的積分線性度性能，然后經運算放大器后輸出電壓信號。內部結構圖如圖1所示。

　　3 引腳及引腳功能

　　3．1 DAC9881引腳

　　DAC9881引腳如圖2所示。

　　3．2 主要引腳功能介紹

　　主要引腳功能介紹如表1所示。

　　4 芯片的電氣特性

　　4．1 輸出電壓

　　對于高精度DAC，系統接地和導線電阻的問題變得尤為重要。如該DAC芯片為18位轉換器，當系統的滿量程輸出為5 V時，1個LSB的值僅為19μV。輸出電壓范圍：

　　式中：VREFH為參考電壓上限；VREFL為參考電壓下限；CODE為輸出數據位，范圍0～262 143；G為增益，由GAIN引腳設定。

　　4．2 數據輸入移位寄存器

　　當LDAC輸入為低電平，片選信號CS為低電平時，每一位輸入數據在串行時鐘SCLK的上升沿時寫入SPI串口移位寄存器，如圖3所示。

　　4．3 數據傳輸格式

　　每個寫周期中，向SPI串口移位寄存器寫入24位二進制數據，其中D17(MSB)…D0(LSB)為有效數據位，D23…D18為無效數據位，狀態任意。其數據格式如表2所示。

　　5 典型應用

　　在控制領域中，如雷達伺服系統、電力電子器件的控制端給定等大多采用的是單極性給定，給定精度的高低直接影響著系統的性能指標。考慮到轉換速度越高越好，系統前端可以采用MCU，DSP，FPGA等高速器件作為核心控制單元。單極性輸出的典型電路如圖 4所示。若要設計任意產生電路，只需將上圖4中的反饋環節去除，當要求雙極性輸出時，電路的設計結構如圖5所示。

　　例如，式(1)中當RA=2RB=2CC時，VO=4VOUT-2VREF，這樣就可以構成輸出為-2VREF~+2VREF的雙極性電壓信號。

　　6 結 語

　　DAC9881是一款高性能的數／模轉換芯片，具有串行輸入、并行處理、電壓輸出特點；精度高，速度快，可以大大地減少對數據總線的占用，將廣泛地應用于高精度的控制場合和波形產生電路，如伺服控制、波形產生、精密儀器等。