数模转换器是一种“位”模拟

尽管数字设备很受欢迎，但现实世界的信号通常由模拟信号表示。数字控制系统通过使用模数转换器 （ADC） 将模拟信号转换为数字信号来处理模拟信号。转换回模拟信号是使用数模转换器（DAC）完成的。Maxim提供8位至16位的完整精密DAC系列。找到满足应用要求的DAC非常重要。设计工程师在选择DAC时需要考虑线性度、分辨率、速度和精度等参数。

尽管数字电子产品被广泛使用，但现实世界仍然是模拟的。因此，在系统的数字和模拟部分之间的接触点需要数模转换器（DAC）。以下讨论涵盖了选择DAC时应考虑的重要参数。它还突出了设备中可用的一些有趣功能。

大多数电子设备现在都包括数字控制电路，但仍需要模拟值来控制阀门、扬声器和其他执行器。从数字到模拟的转换通常在专用的D/A转换器内完成。该DAC可以根据转换要求和系统设置从大量可用的标准电路中选择。

分辨率

在选择DAC时，第一步是确定必要的分辨率N，其中2N× LSB（最低有效位）等于最大模拟输出。Maxim为DAC提供多种产品，其分辨率范围为8位至16位（256步至65，536步）。但是，分辨率不会指示准确性，因为必须考虑其他误差源。

下一个感兴趣的参数是积分非线性（INL），它描述了DAC传递函数与直线的偏差。对于DAC，每一步都要测量该偏差（图1a）。直线可以是实际传递函数的最佳近似值，也可以是在传递函数端点之间绘制的直线（减去增益和失调误差后）。虽然低成本器件将此参数指定为高达 ±16 LSB，但通常可以通过在操作软件中使用校正系数来改进。对于高端DAC，INL值优于±1 LSB。

微分非线性（DNL）是实际步进高度与1 LSB理想值之间的差值。DNL的目标值（大于-1 LSB）确保DAC是单调的。这意味着不会丢失任何数据，因为输出总是随着数字输入的变化而变化;它响应数字增量而增加，并响应数字减少而减少。图1b根据传递函数定义了DNL。

实际输出与理想值的偏差如图1c所示。对于DAC，当数字输入为零时，失调误差等于输出电压。该误差对于所有输入值都保持不变，通常可以通过校准电路来补偿。失调误差通常指定为以毫伏为单位的绝对值，而不是LSB。 （以LSB为单位的失调误差取决于输出步进高度，而输出步进高度又取决于基准电压电平。可接受的失调误差通常小于±10mV。

增益误差是理想最大输出电压与减去失调误差后传递函数的实际最大值之差（图 1d）。由于增益误差会改变传递函数的斜率，因此它为每个步骤提供相同的百分比误差。增益误差以LSB或毫伏表示，以最大值的百分比表示。

图1.这些图表定义了DAC的主要性能参数：（a）积分非线性，（b）差分非线性，（c）失调误差和（d）增益误差。

动态输出特性

理想的DAC在将数字值施加到输入后立即提供其模拟输出。然而，实际DAC的建立时间由内部传播延迟和输出驱动器中的有限压摆率组成。建立时间从转换开始开始，在DAC输出稳定时结束，并包括任何静态误差。

一种称为“数字馈通”的噪声可以在DAC的输出端测量。输入端的每个数字转换都耦合到输出端。虽然是由DAC本身引起的，但接地和电路板布局不当会加剧这种影响。

数据接口

以前，使用最广泛的数据接口是并行类型。它仍然具有快速传输和简单数据协议的优点。Maxim提供各种具有并行接口的DAC，例如具有片内精密输出的7839位电压输出DACMX13。

与并行接口相比，串行接口的引脚数较少，需要更少的电路板空间，并允许采用更小的封装。两种主要的串行接口协议是SPI™和I²C。SPI支持全双工通信，吞吐量高于I²C。此外，SPI接口不需要上拉电阻，从而降低了功耗。但是，I²C接口所需的引脚/线路更少。Maxim提供各种具有SPI或I²C接口的DAC。例如，MAX5812为12位、低功耗电压输出DAC，具有I²C兼容的2线串行接口。MAX5214为14位、低功耗、缓冲单DAC，具有3线SPI接口。

参考电压

在很大程度上，DAC的特性由其基准电压决定，无论是在DAC内部产生还是在外部施加。一、基准电压（V裁判） 设置DAC的最大输出电压，如果输出信号未被额外的输出级放大。V裁判还定义了输出响应输入端的1 LSB跃迁而变化的电压阶跃。一步等于 V裁判/2N，其中 N 是 DAC 分辨率。

在恒定温度下，基准电压源的输出电压在其初始精度指定的范围内变化。对于温度变化，输出电压漂移直接影响DAC的质量（表1）。

表 1.允许温度范围，最大漂移为 ±1 LSB（采用 2.5V 基准电压源）

 

分辨率（位）	步数	1 LSB 在 2.5V （mV）	0 至 70°C 时的温度漂移（ppm/°C，最大值）	-40°C 至 85°C 时的温度漂移（ppm/°C ，最大值）
8	256	9,766	111,61	62,50
10	1024	2,441	27,90	15,63
12	4096	0,610	6,98	3,91
13	8192	0,305	3,49	1,95
14	16384	0,153	1,74	0,98
16	65536	0,038	0,44	0,24

 

表1显示，DAC的基准电压源漂移要求最小。集成基准电压源通常为100ppm/°C，因此仅适用于有限的温度范围。一个例外是12位/13位MAX5122/

MAX5132

，其集成的精密基准规定最大漂移为10ppm/°C （3ppm/°C，典型值）。

连接外部基准电压源时，不仅应考虑DAC基准输入所需的电流和电压范围，还应考虑DAC内部结构产生的任何动态效应。随着施加数字值的变化，基准输入电阻也会发生变化。因此，所选基准电压源必须能够在所需时间内遵循每个负载步骤，或者必须添加旁路电容或运算放大器缓冲器。

带有外部基准输入的DAC（如MAX5170）也可以工作在乘法模式。对基准输入施加可变电压（而不是恒定电压）（图 2）。可变电压与调整后的数字输入值相乘并传输到输出端，产生精确的数字电位计效果。对于这种工作模式，应考虑DAC的带宽和电压范围，以及基准输入的动态特性。这些特性包括从基准输入到输出的电压馈通，数字值为零。

图2.乘法DAC产生数字输入和交流基准信号的乘积。

输出级

DAC的输出级可以设计为提供电压或电流输出，但更简单的电压输出具有更大的市场份额。一些Maxim器件提供固定增益的电压输出或非专用放大器作为选项，即所谓的“力检测”输出。这种布置允许您使用两个外部电阻设置单独的增益（图 3a）。力检测电压输出还可以实现电流输出（图 3b）。

图3.一个非专用输出运算放大器提供“力检测”输出（a）。运算放大器配置如（b）所示，为DAC提供电流输出。

MAX5120和MAX5170系列提供特殊的上电特性，称为“毛刺预防”。如果没有此功能，DAC输出在上电时仅跟随电源电压，直到集成电路开始工作。该动作会以高达3V高的脉冲破坏输出，从而导致以下电路出现故障。MAX5120/MAX5170器件抑制该脉冲。它们还提供上电复位，用于清除所有DAC寄存器。这种复位可以调整为0V或最大输出电压（中档）的一半时上电，这是双极性输出级所要求的。

大多数现代设备都采用单极性电源供电，但如果添加外部双极性放大器并将最大输出电压的中间范围定义为零，它们可以提供双极性输出信号。12位MAX5322等器件采用双极性电源供电，直接提供双极性输出电压。作为DAC电源的另一个考虑因素，应注意，如果数字输入电压比电源电压高0.3V，则可能发生闩锁。特别是，上电或关断时不应将数据信号施加到DAC输入。肖特基二极管可针对此问题提供保护（图 4）。

图4.肖特基二极管在上电或断电时提供闩锁效应保护。

审核编辑：郭婷