双极性DAC在灵活性上设计不如分立式方案 ？

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15V用于模拟电路，3V或5V用于数字逻辑。其中大部分应用要求输出以10V摆幅驱动外部大负载。本文讨论为这些应用选择数模转换器(DAC)时遇到的各种权衡因素，并且提出了详细的电路原理图。

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0V至10V或10V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。还有一种解决方案是使用低压单电源(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，用户必须了解输出要求，并且知道每种方案的优势或不足。

双极性DAC的主要优势：

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。

双极性DAC的主要缺点：

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。

分立式解决方案的主要优势：

LVSS DAC往往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。

分立式解决方案的主要缺点：

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10V工业应用的设计中，有许多因素需要考虑。显然，设计人员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(1μF)，同时要求低噪声和快速建立(20V范围小于10s)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。

图1.AD7804功能框图

全CMOS AD7804和AD7805可节省功耗。除了正常工作时功耗低(最大值66 mW)外，它们在系统待机(仅基准电压源工作时)的额定功率最大为1.38 mW，在省电模式下的额定功率最大功率为8.25 μW(在整个温度范围内)。此外，四个通道可以在不使用时单独切换到待机状态。每个通道都有一个通道控制寄存器来控制其功能;系统控制寄存器同时控制所有四个DAC。

这些器件具有灵活的电压基准。REFOUT 提供 1.23 V 内部生成的基准电压源。在通道寄存器的控制下，每个DAC的基准输入(称为V偏见) 在内部基准源、REFIN端子(用于外部基准)和电源电压(V(DD/)2)的一半之间多路复用。选择的电压，V偏见，提供单电源电路中双极性信号所需的失调“零”;DAC针对1.875 V的输出范围进行缩放偏见.该表显示了二进制补码编码沿传递函数的重要点。

AD7804和AD7805具有额外的功能，用于独立调整每个输出的失调(即定位对应于V的输出值)偏见在任意设置的水平上)。它是一个8位子DAC(如图1所示，作为每个输出电路中的可变加法源)，灵敏度是主DAC的1/16。也就是说，子DAC的每个LSB变化都会增加或减去V偏见/4096，范围约为 ±3% V偏见.子DAC的设置是每个通道控制寄存器控制下的数据输入。

DAC是双缓冲的;这样就可以一次加载一个寄存器，然后同时异步更新所有DAC输出。DAC输出可由系统寄存器一次性清零，也可由通道控制寄存器单独清零。3线串行接口允许直接连接SPI、QSPI和微线标准。

B 级的简要规格包括 ±3 LSB 最大相对精度误差、±35mV 失调和满量程增益误差、4 μs 最大建立时间至 1%、0.002%/% 电源抑制、2.5 V/μs 压摆率和 1 nV-s 毛刺脉冲。额定工作温度范围为 -40 至 +85°C。

应用

AD7804(以及AD7805)的低功耗要求以及低成本和小尺寸特性使其适合需要多个10位(或升级的8位)DAC的场合。典型领域包括电压设定点控制、微调电位计更换、自动校准以及其他仪器仪表和测试功能。串行AD7804可以在必须处理噪声、安全要求或距离的情况下轻松隔离。图2所示为光隔离接口，其中时钟、帧同步和串行数据输入由光耦合器隔离。每个DAC在写入脉冲的第16个串行时钟之后自动更新。

图2.采用光隔离接口配置的串行DAC。