許多現(xiàn)代工業(yè)和儀器儀表系統(tǒng)可以接入多個不同電源，最常見的是15V用于模擬電路，3V或5V用于數(shù)字邏輯。其中大部分應用要求輸出以10V擺幅驅動外部大負載。本文討論為這些應用選擇數(shù)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(yè)應用中的模擬輸出系統(tǒng)，需要0V至10V或10V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(yōu)勢或不足。

雙極性DAC的主要優(yōu)勢：

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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)誤差或TUE。TUE有時在數(shù)據(jù)手冊中有規(guī)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(tǒng)失調和增益誤差。

雙極性DAC的主要缺點：

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(yōu)化。雖然數(shù)據(jù)手冊給出的范圍可能與系統(tǒng)中的實際負載匹配，但其他參數(shù)(如建立時間或功耗等)可能無法滿足系統(tǒng)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(yè)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(yōu)勢：

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(xiàn)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：

需要花費更多的時間來優(yōu)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(shù)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10V工業(yè)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(tǒng)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(1μF)，同時要求低噪聲和快速建立(20V范圍小于10s)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(yè)和儀器儀表應用很有吸引力。

圖1.AD7804功能框圖

全CMOS AD7804和AD7805可節(jié)省功耗。除了正常工作時功耗低(最大值66 mW)外，它們在系統(tǒng)待機(僅基準電壓源工作時)的額定功率最大為1.38 mW，在省電模式下的額定功率最大功率為8.25 μW(在整個溫度范圍內)。此外，四個通道可以在不使用時單獨切換到待機狀態(tài)。每個通道都有一個通道控制寄存器來控制其功能;系統(tǒng)控制寄存器同時控制所有四個DAC。

這些器件具有靈活的電壓基準。REFOUT 提供 1.23 V 內部生成的基準電壓源。在通道寄存器的控制下，每個DAC的基準輸入(稱為V偏見) 在內部基準源、REFIN端子(用于外部基準)和電源電壓(V(DD/)2)的一半之間多路復用。選擇的電壓，V偏見，提供單電源電路中雙極性信號所需的失調“零”;DAC針對1.875 V的輸出范圍進行縮放偏見.該表顯示了二進制補碼編碼沿傳遞函數(shù)的重要點。

AD7804和AD7805具有額外的功能，用于獨立調整每個輸出的失調(即定位對應于V的輸出值)偏見在任意設置的水平上)。它是一個8位子DAC(如圖1所示，作為每個輸出電路中的可變加法源)，靈敏度是主DAC的1/16。也就是說，子DAC的每個LSB變化都會增加或減去V偏見/4096，范圍約為 ±3% V偏見.子DAC的設置是每個通道控制寄存器控制下的數(shù)據(jù)輸入。

DAC是雙緩沖的;這樣就可以一次加載一個寄存器，然后同時異步更新所有DAC輸出。DAC輸出可由系統(tǒng)寄存器一次性清零，也可由通道控制寄存器單獨清零。3線串行接口允許直接連接SPI、QSPI和微線標準。

B 級的簡要規(guī)格包括 ±3 LSB 最大相對精度誤差、±35mV 失調和滿量程增益誤差、4 μs 最大建立時間至 1%、0.002%/% 電源抑制、2.5 V/μs 壓擺率和 1 nV-s 毛刺脈沖。額定工作溫度范圍為 -40 至 +85°C。

應用

AD7804(以及AD7805)的低功耗要求以及低成本和小尺寸特性使其適合需要多個10位(或升級的8位)DAC的場合。典型領域包括電壓設定點控制、微調電位計更換、自動校準以及其他儀器儀表和測試功能。串行AD7804可以在必須處理噪聲、安全要求或距離的情況下輕松隔離。圖2所示為光隔離接口，其中時鐘、幀同步和串行數(shù)據(jù)輸入由光耦合器隔離。每個DAC在寫入脈沖的第16個串行時鐘之后自動更新。

圖2.采用光隔離接口配置的串行DAC。