16位双极性DAC实现精密10V输出解决方案

许多现代工业和仪器仪表系统可以接入多个不同电源，最常见的是15 V用于模拟电路，3 V或5 V用于数字逻辑。其中大部分应用要求输出以10 V摆幅驱动外部大负载。

问题来了，为上述应用择数模转换器(DAC)时，遇到的各种需要权衡的因素，面对多个解决方案时，哪种才是最佳呢？接着往下看，我们还有详细的电路原理图哦~

可编程逻辑控制器(PLC)、过程控制或电机控制等工业应用中的模拟输出系统，需要0 V至10 V或10 V以上的单极性或双极性电压摆幅。一种可能的解决方案是选择能够直接产生所需输出电压的双极性输出DAC；另一种是使用低压单电源(LVSS)DAC，将其输出电压放大至所需输出电平。为了选择最适合应用的方法，你必须了解输出要求，并且知道每种方案的优势或不足。

双极性DAC

主要优势——

• 简单。电路板的设计得以简化，因为所需的0 V至10 V或10 V以上输出电平可直接通过硬件或软件配置获得。此外，其通常会集成故障保护模式，因而可简化系统设计。

• 可制造性和可靠性得到提高，因为不需要放大器、开关和电阻等分立式器件。有时也会集成基准电压源。

• 系统误差和总非调整误差(TUE)的测量。保证线性度、噪声、失调和漂移特性；对DAC内的各种误差源求和，很容易计算总系统误差或TUE。TUE有时在数据手册中有规定。

• 端点误差。某些情况下，双极性DAC包括校准特性，能够随时调整系统失调和增益误差。

主要缺点——

• 灵活性有限。集成高压放大器对应用而言可能不是最佳的。输出放大器通常针对特定负载和噪声要求进行优化。虽然数据手册给出的范围可能与系统中的实际负载匹配，但其他参数(如建立时间或功耗等)可能无法满足系统要求。

• 成本和电路板面积。双极性DAC通常是在较大的几何工艺上设计，导致芯片和封装尺寸较大且成本较高。使用带外部信号调理的低压DAC是另一种产生工业应用所需高压输出摆幅和范围的方法。同样，它也有值得考虑的重要权衡因素。

分立式解决方案

主要优势——

• LVSS DAC具有较高的逻辑集成度和高速逻辑接口，使得微控制器有时间来处理更多任务。

• 输出可能必须提供大电流或驱动双极性DAC片内放大器无法处理的大容性负载。分立式解决方案允许选择最佳独立放大器来满足应用需要。

• 很容易实现超量程特性(10 V标称范围提供10.8 V输出)，为最终用户提供更大的应用灵活性，例如在需要打开或关闭磨损阀门的应用中。

• 成本。LVSS DAC通常比双极性DAC便宜，从而使总体物料成本更低。

• 减少电路板面积。LVSS DAC采用低压亚微米或深微米工艺设计，可提供小尺寸封装。

主要缺点——

• 需要花费更多的时间来优化电路板和设计端点调整电路。

• 总误差或TUE的计算变得更困难，因为必须考虑更多误差源。

• 分立式器件数量的增加导致可制造性和可靠性降低。

• 应用必须有低压电源(5 V或3 V)可用。

总之，在精密10 V工业应用的设计中，有许多因素需要考虑。显然，你必须清楚地知道输出负载要求和系统可以接受的总误差。此外，电路板面积和成本也是选择最佳方案的重要考虑因素。对于必须驱动大容性负载(1 μF)，同时要求低噪声和快速建立(20 V范围小于10 s)的应用，分立式方案几乎总是胜出；虽然双极性DAC在灵活性上不如分立式方案，但简单的设计和不费力的TUE计算使其对广泛的工业和仪器仪表应用很有吸引力。

下面的讨论说明如何利用双电源双极性输出DAC和带外部信号调理的低压单电源DAC实现精密10 V输出。

双极性输出DAC的主要元件如以上功能框图(图1)所示。它由精密DAC、基准电压源、基准电压缓冲器、失调和增益调整以及输出放大器组成。

集成精密基准电压源以适应16位应用非常困难，但最近的工艺进步和设计技术允许在片内设计和集成具有出色漂移和热特性的基准电压源。热关断、短路保护等故障保护模式，以及上电/关断等状况下的输出控制，是双极性DAC通常会集成的重要特性，可以简化系统设计。DAC提供数字码以相对于基准电压转换输出电压。调整模块提供偏移和调整DAC传递函数的功能。

*AD5764是一款四通道、16位串行输入、电压输出DAC，工作电压范围为12 V至15 V。其标称满量程输出范围为10 V，内置输出放大器、基准电压缓冲器、精密基准电压源以及专有上电/关断控制电路。AD5764采用ADI公司的工业CMOS (iCMOS®)制造工艺技术设计，该工艺集高压互补双极性晶体管和亚微米CMOS于一体。它还有一个模拟温度传感器，每通道均有对应的数字失调和增益调整寄存器。