深入解析DAC1220：20位低功耗数模转换器的卓越性能与应用

 

在电子工程师的设计世界里，数模转换器（DAC）是连接数字世界和模拟世界的重要桥梁。今天，我们要深入探讨一款性能卓越的20位低功耗数模转换器——DAC1220，它来自德州仪器（TI），具有诸多令人瞩目的特性和广泛的应用场景。

文件下载：dac1220.pdf

一、DAC1220概述

1.1 关键特性

DAC1220是一款20位的数模转换器，能够在 -40°C 至 +85°C 的指定温度范围内确保20位的单调性。它采用了delta - sigma技术，在小封装内以极低的功耗实现了固有的线性性能。其分辨率可编程为20位全量程，典型情况下在15ms内稳定到0.003%；或16位全量程，最大在2ms内稳定到0.012%。输出范围是外部参考电压的两倍，片上校准电路显著降低了低失调和增益误差，功耗仅为2.5mW，具有电压输出特性。

1.2 应用领域

DAC1220的应用领域十分广泛，涵盖了过程控制、自动测试设备（ATE）引脚电子、闭环伺服控制、智能变送器以及便携式仪器等。它的同步串行接口在单转换器应用中仅需两根线即可完成，便于实现低成本隔离；对于多转换器应用，通过CS信号可以选择合适的D/A转换器。

二、电气特性分析

2.1 精度指标

在精度方面，DAC1220表现出色。在不同模式下，能保证16位或20位的单调性，线性误差最大为±0.0015% FSR，单极性失调误差和增益误差、双极性零失调误差等都控制在较小范围内，并且具有较低的误差漂移。

2.2 模拟输出

输出电压范围为0至2×VREF，最大输出电流为0.5mA，可承受的电容性负载为500pF，短路电流为 +20mA，短路持续时间可至地或电源。

2.3 动态性能

在动态性能上，16位模式下达到±0.012%的稳定时间为2ms，20位模式下达到±0.003%的稳定时间为15ms，输出噪声电压在0.1Hz至10Hz范围内为1μVRMS。

2.4 参考输入和数字接口

参考输入电压范围为2.25V至2.75V，输入阻抗为100kΩ。数字输入/输出采用TTL兼容的CMOS逻辑电平，时钟频率范围为0.5MHz至2.5MHz，数据格式可用户编程。

三、工作原理与操作模式

3.1 工作原理

DAC1220的核心由插值滤波器和二阶delta - sigma调制器组成。调制器的输出经过一阶开关电容滤波器和二阶连续时间滤波器，最终生成输出电压。为了提高稳定时间，当检测到输出电压阶跃大于约40mV时，它可以调整滤波器的截止频率，并且这一功能可以禁用。

3.2 自校准系统

其自校准系统通过测量DAC输出并计算适当的增益和失调校准常数来补偿内部失调和增益误差。校准值可以根据需要进行外部存储和加载。

3.3 操作模式

DAC1220具有三种操作模式：睡眠模式、正常模式和自校准模式。睡眠模式下，输出断开，功耗降至约0.45mW；正常模式下，设备完全激活，输出开启；自校准模式下，设备运行自校准序列，完成后切换到正常模式。

四、基本连接与注意事项

4.1 输出特性

输出电压范围标称在0V至2×VREF之间，输出放大器最大驱动电流为0.5mA。在开机和睡眠模式下，放大器断开，输出呈高阻抗状态。输出并非完全线性到电源轨，最大线性度在(AGND + 20mV)至(AVDD - 20mV)范围内。

4.2 滤波器电容

连续时间输出滤波器需要两个外部电容，其推荐值根据16位或20位模式有所不同。电容应选择稳定的高品质类型，如薄膜电容，并且C1和C2引脚非常敏感，需要用参考电压的保护环包围以获得最佳噪声性能。

4.3 电压参考和数字连接

电压参考输入设计为 +2.5V，此时输出范围约为0V至5V。数字线路除晶体振荡器线路外，采用TTL兼容的CMOS逻辑电平，可由3.3V逻辑源驱动。在对噪声敏感的应用中，应降低数字线路的电平转换速率，以减少噪声耦合。

4.4 时钟振荡器

DAC1220内置晶体振荡器，使用时需连接晶体和负载电容。负载电容值主要取决于晶体和布局，典型频率为2.5MHz，偏离该频率可能会影响噪声、稳定时间和时序特性。也可以连接外部时钟信号，此时XOUT应保持未连接状态。

4.5 串行接口和电源供应

串行接口可由大多数SPI外设操作，若SDIO双向操作，可能需要上拉电阻。串行时钟频率限制为系统时钟频率的十分之一。DAC1220具有独立的模拟和数字电源连接，均为 +5V，数字电源不得超过模拟电源300mV，否则可能损坏设备。

五、编程与操作

5.1 命令与寄存器

与DAC1220的通信通过命令完成，命令由命令字节和一至三个数据字节组成，可对寄存器进行读写操作。DAC1220有四个寄存器，分别是数据输入寄存器（DIR）、命令寄存器（CMR）、偏移校准寄存器（OCR）和满量程校准寄存器（FCR）。

5.2 位和字节顺序

数据字节的位顺序和字节顺序均可配置，命令字节始终以MSB优先传输。

5.3 启动序列和校准

启动时，应等待振荡器启动后再进行通信，可选择应用SCLK复位模式，设置命令寄存器并进行校准。校准由OCR和FCR两个寄存器控制，校准结果可以平均以提高精度。

5.4 设置输出电压

通过向DIR写入代码来设置输出电压，代码可以是直二进制或偏移二进制补码格式。在20位模式下，需写入DIR的三个字节；在16位模式下，只需写入两个高字节。

5.5 快速稳定模式

为了加快稳定速度，DAC1220可以改变输出滤波器的截止频率，通过命令寄存器中的ADPT和DISF位控制自适应滤波模式。

六、应用信息与注意事项

6.1 布局建议

在布局方面，应在C1和C2引脚周围设置保护环，将电容靠近引脚放置，避免数字和模拟走线相互耦合。如果使用晶体，应尽量避免通过过孔连接晶体，保持走线短，并考虑寄生电容的影响。

6.2 软件考虑

与DAC1220通信时，要注意接口时序图中的延迟，违反延迟可能导致输出错误或通信损坏。在使用SPI外设的微控制器固件中，要确保延迟程序从字节传输完成后开始。

6.3 只写接口和隔离

在某些情况下，DAC1220可以采用只写接口，启动后等待一段时间以确保之前的通信被取消。其串行接口便于实现隔离连接，在需要电隔离的应用中具有优势。

七、版本差异与术语定义

7.1 版本差异

截至目前，DAC1220有两个版本，主要差异在于命令寄存器的第13位。早期版本该位可写且默认值为0，当前版本固定为1且不可写。对于早期版本芯片，应将该位设置为1以确保最佳性能。

7.2 术语定义

文档中对一些关键术语进行了定义，如差分非线性误差、漂移、增益误差、线性误差等，这些定义有助于工程师更好地理解和应用DAC1220。

DAC1220以其高精度、低功耗和丰富的功能特性，为电子工程师在工业过程控制、测试测量等领域的设计提供了一个优秀的选择。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理配置和使用该器件，同时注意布局、软件和操作等方面的细节，以充分发挥其性能优势。大家在使用DAC1220的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。