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

在现代工业自动化系统中，精确控制和测量是至关重要的。特别是在可编程逻辑控制器(PLC)、过程控制或电机控制等应用中，模拟输出系统需要能够稳定地提供0 V至10 V或更高电压的单极性或双极性电压摆幅。本文将详细探讨如何利用双电源双极性输出DAC(数模转换器)和带外部信号调理的低压单电源DAC(Low Voltage Single Supply DAC, LVSS DAC)来实现精密的10 V输出。

一、引言

在工业自动化领域，DAC作为连接数字世界与模拟世界的桥梁，扮演着至关重要的角色。特别是在需要高精度电压输出的应用中，选择合适的DAC及其外围电路设计显得尤为重要。本文将分别介绍双电源双极性输出DAC和LVSS DAC，并分析各自的优缺点，进而详细讨论如何通过这两种方案实现精密10 V输出。

二、双电源双极性输出DAC方案

1. 双极性DAC概述

双电源双极性输出DAC通常能够直接产生所需的双极性电压输出，如±10 V或±5 V等。这种DAC具有集成度高、输出范围广、精度高等优点，广泛应用于需要高精度电压输出的工业自动化系统中。

2. 电路设计

在设计利用双电源双极性输出DAC实现精密10 V输出的电路时，我们首先要了解DAC的基本结构和主要元件。一般而言，双极性DAC主要由精密DAC、基准电压源、基准电压缓冲器、失调和增益调整模块以及输出放大器组成。

示例：AD5764 DAC

以AD5764为例，这是一款四通道、16位串行输入、电压输出DAC，工作电压范围为12 V至15 V，标称满量程输出范围为10 V。AD5764内置了输出放大器、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，使得电路设计更加简化。

3. 优点与局限性

优点：

简化设计：电路板设计简单，因为所需的0 V至10 V或更高电压输出电平可直接通过硬件或软件配置获得。

故障保护：通常集成故障保护模式，如热关断、短路保护等，简化系统设计。

提高可靠性：不需要额外的放大器、开关和电阻等分立元件，提高系统的可制造性和可靠性。

集成基准电压源：部分DAC集成了精密基准电压源，减少外部元件需求。

误差计算：便于测量系统误差和总非调整误差(TUE)，确保系统精度。

局限性：

灵活性有限：集成高压放大器可能不是所有应用的最佳选择，特别是针对特定负载和噪声要求的优化可能不足。

成本和面积：双极性DAC通常设计在较大的几何工艺上，导致芯片和封装尺寸较大且成本较高。

三、带外部信号调理的低压单电源DAC方案

1. LVSS DAC概述

LVSS DAC通常具有较低的电源电压要求(如5 V或3 V)，并且需要外部信号调理电路来实现更高的输出电压摆幅。这种方案在成本和灵活性方面具有一定的优势。

2. 电路设计

利用LVSS DAC实现精密10 V输出的电路设计相对复杂，但具有较高的灵活性。以下是一个典型的电路设计步骤：

选择LVSS DAC：选择一个具有适当分辨率和输出范围的LVSS DAC，如AD5062。

设计外部信号调理电路：使用运算放大器和其他外围元件(如电阻、电容等)来放大DAC的输出电压至所需的10 V范围。

集成基准电压源：可能需要一个精密基准电压源(如ADR421)来提供稳定的参考电压。

失调和增益调整：通过调整电路中的电阻和电位计等元件，对输出进行精确的失调和增益调整。

3. 优点与局限性

优点：

灵活性高：可以根据应用需求选择最适合的独立放大器，满足不同的负载和噪声要求。

成本低：LVSS DAC通常比双极性DAC便宜，有助于降低总体物料成本。

减少电路板面积：由于LVSS DAC本身尺寸较小，且可能不需要额外的高压放大器，因此有助于减少电路板面积。

局限性：

设计复杂度：外部信号调理电路的设计需要较高的专业知识和实验经验，可能增加设计成本和时间。

性能限制：外部信号调理电路的性能可能受到放大器、电阻等元件的精度和稳定性的限制。