将DAC设计到精密工业10V应用中

许多现代工业和仪器仪表系统可以使用几种不同的电源，最常见的是模拟电路为15 V，数字逻辑为3 V或5 V。这些应用中的大多数要求输出以10 V摆幅驱动大型外部负载。本文讨论了为这些应用选择数模转换器（DAC）时遇到的各种权衡，并提出了详细的电路图。

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 0 V 至 10 V 或 >10 V 的单极性或双极性电压摆幅。一种可能的解决方案是选择可以直接产生所需输出电压的双极性输出DAC。另一种解决方案是使用低压单电源（LVSS）DAC，将输出电压放大到所需的输出电平。为应用选择最佳方法需要用户了解输出要求，并认识到每种解决方案的主要优点或局限性。

能够直接产生所需输出摆幅的双极性DAC有几个优点和局限性值得考虑。主要优势包括：

简单—电路板的设计不太复杂，因为所需的0 V至10 V或>10 V输出电平可通过硬件或软件配置直接获得。此外，通常集成故障保护模式，从而简化系统设计。

提高可制造性和可靠性，因为不需要放大器、开关和电阻器等分立元件。有时还集成了基准电压源。

测量系统误差和总非调整误差（TUE）—保证线性度、噪声、失调和漂移规格，并且通过对DAC内的各种误差源求和，可以轻松计算整体系统误差或TUE。TUE有时会在数据手册中指定。

端点误差—在某些情况下，双极性DAC具有校准功能，允许即时进行系统失调和增益误差调整。

双极DAC的主要缺点包括：

灵活性有限—集成高压放大器可能不是应用的最佳选择。输出放大器通常针对特定的负载和噪声要求进行优化。即使数据手册中指定的范围可能与系统中的实际负载相匹配，其他参数（如建立时间或功耗）也可能不符合系统规格。

成本和电路板面积——双极性DAC通常采用较大几何形状的工艺设计，导致芯片和封装更大、更昂贵。

使用具有外部信号调理功能的低压DAC是产生工业应用所需的高压输出摆幅和跨度的另一种方法。同样，有一些重要的权衡值得考虑。分立式解决方案的主要优点包括：

LVSS DAC往往具有更高级别的所需逻辑集成和更高速的逻辑接口，从而释放微控制器用于其他任务。

输出可能必须提供大电流或驱动大容性负载，而双极性DAC的片内放大器无法处理这些负载。分立式解决方案允许选择适合应用的最佳独立放大器。

可以轻松实现超量程功能（10 V 标称量程上的 10.8 V 输出），为最终用户在需要打开或关闭随时间磨损的阀门等应用中提供额外的灵活性。

成本—LVSS DAC通常比双极性DAC便宜，从而降低了整体物料清单成本。

减少电路板面积—LVSS DAC采用低压亚微米或深亚微米工艺设计，采用小型封装。

分立式解决方案的主要缺点包括：

额外的设计时间需要花在优化电路板和设计端点调整电路上。

由于必须考虑其他误差源，因此计算总误差或 TUE 变得更加困难。

随着分立元件数量的增加，可制造性和可靠性降低。

应用必须具有可用的低压电源（5 V或3 V）。

总之，在精密工业10 V应用的设计中需要考虑许多因素。显然，设计人员必须充分了解输出负载要求和系统中可以容忍的总体误差。此外，电路板面积和成本是选择最佳解决方案的重要因素。对于必须驱动大容性负载（1 μF）但需要低噪声和快速建立（20 V量程为<10 s）的应用，分立式方案几乎总是最佳方法。虽然双极性DAC在灵活性方面永远无法与分立解决方案相媲美，但它们的简单性和简单的TUE计算相结合，使其在广泛的工业和仪器仪表应用中具有吸引力。

以下讨论说明如何使用双电源双极性输出DAC和低压单电源DAC以及外部信号调理来实现精密10 V输出。

电路概述：双电源双极性输出DAC

功能框图（如图1所示）说明了双极性输出DAC的主要元件。它由精密DAC、基准、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位应用已被证明是困难的，但最近的工艺改进和设计技术现在允许在片上设计和集成具有出色漂移和热特性的基准电压源。热关断、短路保护和上电/断电等条件下的输出控制等故障保护模式是双极性DAC通常集成的关键特性，从而简化了系统设计。DAC提供相对于基准电压源的数字代码至电压输出转换。调整模块提供了偏移和缩放DAC传递函数的能力。

图1.AD5764双极性DAC的功能框图

有关AD5764的更多信息

AD5764四通道、16位串行输入、电压输出DAC采用12 V至15 V电源供电。该器件的标称满量程输出范围为10 V，包括输出放大器、基准电压缓冲器、精密基准电压源和专有的上电/关断控制电路。它还具有模拟温度传感器以及每个通道的数字失调和增益调整寄存器。AD5764采用ADI公司的工业CMOS（iCMOS）制造工艺技术设计，该技术将高压互补双极晶体管与亚微米CMOS相结合。®

电路概述：低压单电源DAC和外部信号调理

图2显示了如何使用LVSS DAC为工业应用产生10 V输出范围。它由五个不同的模块组成：LVSS DAC、基准电压源、失调调整、基准电压缓冲器和输出放大器。

图2.分立式±10 V模拟输出框图。

DAC提供相对于基准电压源的数字代码至电压输出转换。失调调整能够失调DAC的单极性传递函数以产生双极性输出，并能够校准0 V端点。基准电压缓冲器为基准电压源和失调调整模块提供负载隔离（多个DAC可以共享此缓冲输出）。输出放大器对失调调整求和，并提供所需的增益，以将输出摆幅提高到所需水平。此外，输出放大器能够将大容性负载驱动至电源轨。

图3中的电路说明了如何放大精密LVSS 16位DAC以实现10 V的输出摆幅。DAC具有0至2.5 V输出范围，并连接到放大器U3的同相输入。该输入的同相增益为（1 + R2/R1），在本例中为8。运算放大器的反相输入连接到基准电压源和电阻分压器网络U6产生的1.429 V电压。该输入的反相增益为（–R2/R1），在本例中为–7。因此，该电路的输出将DAC编程为零代码0000h，为：

图3.精密 10 V 模拟输出的电路细节。

将DAC编程为满量程代码FFFFh时，输出为

通常，任何输入代码的输出电压都可以计算如下：

其中 D 表示精密 16 位 DAC（0 到 65535）的十进制格式输入代码，如本例所示。与 V裁判= 2.5 V，R1 = R，R2 = 7 R。非易失性存储器数字电位计用于调整系统的零失调误差，因此即使在电源关断的情况下也能保留失调值。可以选择由U7、U6和R3组成的电阻网络，以提供0 V时所需的调节范围。PLC模拟输出模块所需的其他输出范围，如+5 V、5 V、+10 V或10.8 V（在超量程可能很重要的情况下），可以轻松配置。

该电路由以下元件组成：U1—ADR421，精密、低噪声2.5 V基准电压源，3 ppm/°C漂移，MSOP封装，U2—AD5062，16位，1 LSB最大值INL，5V/3V电源，串行输入纳米DAC™，SOT-23 封装，U3 和 U5—OP1177，精密运算放大器，15 V 电源，MSOP 封装 U4 和 U6 — 带 ESD 保护的精密电阻网络，U7—AD5259，256 抽头非易失数字电位计，MSOP 封装。

有关AD5062的更多信息

16位AD5062保证单调性，具有1 LSB最大值DNL和INL。其单极性输出具有50 V最大失调误差和0.02%最大增益误差。其高速串行接口支持高达 30 MHz 的时钟速度。它采用微型 SOT-23 封装。

结论

越来越多的工业和仪器仪表应用需要精密转换器来精确控制和测量各种过程。此外，这些终端应用要求更高的灵活性、可靠性和功能集，同时降低成本和电路板面积。组件制造商正在应对这些挑战，并提供多种产品来满足系统设计人员对当前和未来设计的需求。

从本文可以看出，为精密应用选择合适的组件有许多不同的方法，每种方法都有其相关的缺点和优点。随着系统精度的提高，需要花更多的心思来选择合适的组件以满足应用需求。

审核编辑：郭婷