18位数／模转换芯片DAC9881的原理与应用

    数／模转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件，简称D／A转换器或DAC(Digital to Analog Con-vetter)。是数字控制系统中的关键器件，用于微处理器输出的数字信号与电压或电流等模拟信号的转换，并送入执行机构进行控制或调节。

1 芯片的主要性能特点
    T1公司的DAC9881是目前最高精确度的D／A转换芯片。串行输入、电压输出、单电源供电。它采用成熟的HPA07 COMS加工技术，分辨率达到18 b，采用标准的SPI(Serial PeripheralInterface)串行数据输入方式，输入数据时钟频率可达50 MHz，最低有效位稳定至1 LSB，时间仅为5μs，满足DSP，MCU，FPGA等系统的快速性要求。输出电压信号的最大值取决于外部参考电压+VREF，它的范围为2．7～5． 5 V；单通道输出；持续工作时典型功耗为4 mw；最大积分非线性为±2 LSB(INL)；最大微分非线性为±1 LSB(DNL)；具有超宽的工作温度范围：-40～+125℃。该DAC芯片的特点是具有线性性质优良，噪音低和输出转换特性快速；该芯片通过采用复杂的低噪音缓冲器，使噪音比采用外接元器件构成同等精度的DAC转换器减少75％，其噪音比为24 nV／Hz。配置可编程挂起(低电压模式)和运行功能，可以使系统在不需要进行D／A转换时将DAC芯片挂起，此时输出近似为0．000 0 V，功耗降到125μW，直到接收到写命令操作为止。这样既可显著地降低系统的功耗，同时还能够保证在接到写命令操作后正常写人数据，无需外加电源控制电路，简化设计步骤。

2 芯片工作原理
    DAC9881的数据输入方式为串行输入，即工作节拍SCLK是和串行二进制数码定时同步的，输入端不需要缓冲器，串行二进制数码在时钟同步下控制D／A转换器逐位工作。因此，转换1个24位输入数码需要24个工作节拍周期，即需要24个时钟周期。串行数据输入后，经过逻辑网络，将串行数据转换为并行数据，进入并行T型电阻网络(分段式R一2R网络)，通过保证电阻R的阻值一致性，用微调技术实现对积分线形度及微分线形度进行微调，以实现最优化的积分线性度性能，然后经运算放大器后输出电压信号。内部结构图如图1所示。

3 引脚及引脚功能
3．1 DAC9881引脚
    DAC9881引脚如图2所示。

3．2 主要引脚功能介绍
    主要引脚功能介绍如表1所示。

4 芯片的电气特性
4．1 输出电压
    对于高精度DAC，系统接地和导线电阻的问题变得尤为重要。如该DAC芯片为18位转换器，当系统的满量程输出为5 V时，1个LSB的值仅为19μV。输出电压范围：

  
式中：VREFH为参考电压上限；VREFL为参考电压下限；CODE为输出数据位，范围0～262 143；G为增益，由GAIN引脚设定。
4．2 数据输入移位寄存器
    当LDAC输入为低电平，片选信号CS为低电平时，每一位输入数据在串行时钟SCLK的上升沿时写入SPI串口移位寄存器，如图3所示。

4．3 数据传输格式
    每个写周期中，向SPI串口移位寄存器写入24位二进制数据，其中D17(MSB)…D0(LSB)为有效数据位，D23…D18为无效数据位，状态任意。其数据格式如表2所示。

5 典型应用
    在控制领域中，如雷达伺服系统、电力电子器件的控制端给定等大多采用的是单极性给定，给定精度的高低直接影响着系统的性能指标。考虑到转换速度越高越好，系统前端可以采用MCU，DSP，FPGA等高速器件作为核心控制单元。单极性输出的典型电路如图 4所示。若要设计任意产生电路，只需将上图4中的反馈环节去除，当要求双极性输出时，电路的设计结构如图5所示。

    例如，式(1)中当RA=2RB=2CC时，VO=4VOUT-2VREF，这样就可以构成输出为-2VREF~+2VREF的双极性电压信号。

6 结 语
    DAC9881是一款高性能的数／模转换芯片，具有串行输入、并行处理、电压输出特点；精度高，速度快，可以大大地减少对数据总线的占用，将广泛地应用于高精度的控制场合和波形产生电路，如伺服控制、波形产生、精密仪器等。