探索DAC8544：16位四通道数模转换器的卓越性能与应用

 

在电子工程师的日常工作中，数模转换器（DAC）是实现数字信号到模拟信号转换的关键组件。今天，我们将深入探讨德州仪器（Texas Instruments）的DAC8544，一款具有出色性能和广泛应用前景的16位四通道数模转换器。

文件下载：dac8544.pdf

一、DAC8544概述

DAC8544是一款低功耗、四通道、16位的电压输出DAC。它集成了精密输出放大器，能够实现轨到轨的电压摆幅，具有16位单调性和超低串扰的特点，为用户提供了出色的绝对精度。该器件采用16位并行接口，具备额外的掉电功能引脚，以及硬件同步DAC更新和复位能力。

二、产品特性亮点

1. 电源与功耗

• 单电源供电：支持+2.7 V至+5.5 V的单电源供电，适应多种电源环境。
• 微功耗运行：在5 V电源下，典型电流消耗仅为950 µA，在掉电模式下，电流消耗可降至400 nA（5 V电源），有效降低功耗。

2. 输出性能

• 轨到轨电压输出：能够实现轨到轨的电压输出，提供了更宽的输出范围。
• 超低串扰：串扰低至 -110 dB，确保各通道之间的信号干扰极小。
• 快速建立时间：建立时间仅为10 µs（至±0.003% FSR），能够快速响应输入信号的变化。

3. 精度与误差

• 16位单调性：保证了输出信号的单调性，避免了信号失真。
• 低偏移误差和增益误差：偏移误差为±0.3 mV，增益误差为±1 mV，总误差为±3 mV，提供了高精度的输出。

4. 其他特性

• 每通道独立参考引脚：提供 $V{REF+}$、$V{REF-}$ 和 $V_{FB}$ 引脚，可实现更灵活的参考电压设置。
• 逻辑兼容性：逻辑输入兼容+1.8 V至+5.5 V的电压范围。
• 读回功能：支持读回输入寄存器的数据，方便调试和监测。
• 双缓冲输入：采用双缓冲架构，可实现同时或顺序更新。
• 施密特触发数字输入：增强了数字输入的抗干扰能力。
• 硬件复位功能：可通过硬件信号实现DAC寄存器和输出的复位。

三、应用领域广泛

DAC8544的出色性能使其在多个领域得到广泛应用，包括：

• 过程控制：为工业过程控制提供高精度的模拟信号输出，实现对各种参数的精确控制。
• 数据采集系统：在数据采集系统中，将数字信号转换为模拟信号，用于后续的处理和分析。
• 闭环伺服控制：为伺服控制系统提供精确的控制信号，实现对电机等执行机构的精确控制。
• PC外设：如音频设备、图形显示设备等，提供高质量的模拟信号输出。
• 光网络：在光通信网络中，用于信号的调制和解调，提高通信质量。

四、工作原理剖析

1. D/A部分

DAC8544的架构由四个电阻串DAC和一个输出缓冲放大器组成。输入编码为无符号二进制，理想输出电压由公式 $V{OUT } = 2 × V{REF- } + (V{REF+ } - V{REF- }) × \frac {D}{65536}$ 确定，其中D为加载到DAC寄存器的二进制代码的十进制等效值，范围从0到65535。

2. 电阻串

电阻串部分由一个二分电阻和一串阻值为R的电阻组成。加载到DAC寄存器的代码决定了从电阻串的哪个节点提取电压，并通过闭合连接电阻串和放大器的开关将其输入到输出放大器。由于采用电阻串结构，保证了输出的单调性。

3. 输出放大器

输出缓冲放大器能够实现轨到轨的电压输出，输出范围为0 V至 $V_{REF+}$。它能够驱动2 kΩ负载和1000 pF电容至地，具有1 V/µs的压摆率和10 µs的满量程建立时间。放大器的反馈和增益设置电阻约为50 kΩ，其绝对值可能存在较大偏差，但匹配精度可达0.1%。

4. 并行接口

DAC8544提供16位并行接口，支持对DAC输入寄存器的读写操作。除了数据、CS和R/W输入外，还提供掉电、LDAC和复位控制功能。通过控制信号的组合，可以实现数据的写入、读取、更新和复位等操作。

五、使用注意事项

1. 布局与电源

• 布局：作为精密模拟组件，需要精心布局，确保模拟和数字地平面和电源平面的分离，以减少噪声干扰。
• 电源：$V{DD}$ 和 $V{REF+}$ 应连接到稳压、低噪声的电源，并使用适当的旁路电容，如1-µF至10-µF和0.1-µF的电容，以滤除高频噪声。

2. 参考电压

为了充分发挥DAC8544的绝对精度，应使用高性能的参考电压发生器。推荐使用TI的REF02，REF3140和REF3040也是小尺寸、低成本的替代方案。

3. 反馈引脚

在关键应用中，可将 $V_{FB}$ 引脚和放大器输出在负载处连接在一起，以提高精度。对于对增益误差敏感的高电流应用，应将反馈引脚连接到目标节点，以准确感测节点电压。

六、典型应用电路示例

1. 与MSP430微控制器接口

通过MSP430的端口4和5发送或接收16位数据，端口2的位0-7提供控制信号。通过控制信号的切换，实现数据的传输和DAC寄存器的更新。

2. 与TMS320C5402 DSP接口

数据通过DSP的并行数据总线提供，DAC的CS控制输入由解码后的I/O strobe信号派生。IOSTRB、R/W和XF(I/O)信号控制数据的传输和LDAC控制。通过额外的解码，可将多个DAC8544连接到同一DSP的并行数据总线。

3. 双极性操作

DAC8544通常设计用于单电源操作，但通过特定电路也可实现双极性输出范围。例如，使用OPA703作为输出放大器，可实现±5 V的模拟输出范围。

七、总结

DAC8544以其出色的性能、丰富的特性和广泛的应用领域，成为电子工程师在数模转换应用中的理想选择。在实际设计中，合理布局、选择合适的参考电压和正确使用反馈引脚等措施，能够充分发挥其优势，实现高精度、高性能的数模转换。你在使用DAC8544或其他数模转换器时，遇到过哪些挑战和问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。