解读AD7398/AD7399：高性能四通道数模转换器

在电子工程师的日常设计工作中，数模转换器（DAC）的选择与应用至关重要。它直接影响着电子系统的性能和稳定性。今天，我们就来深入探讨一款由ADI公司推出的高性能四通道数模转换器——AD7398/AD7399。

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产品概述

AD7398/AD7399是一系列四通道、12位/10位电压输出DAC，适用于单3V - 5V或双±5V电源供电。采用ADI公司坚固的CBCMOS工艺，在单电源或双电源系统中，这些单片DAC为用户提供了低成本且易于使用的解决方案。

产品特性

1. 分辨率选择：AD7398提供12位分辨率，AD7399则为10位分辨率，可满足不同应用场景对精度的要求。
2. 可编程电源关断：通过设置串行输入寄存器的两位SA和SD，可以实现对部分或全部DAC通道的电源关断，有效降低功耗。
3. 宽电源范围：支持单电源（3V - 5V）和双电源（±5V）供电，增加了设计的灵活性。
4. SPI兼容接口：采用3线SPI兼容串行数据接口，方便与微控制器和DSP等数字设备连接。
5. 内部上电复位：上电时，内部复位脉冲将所有输入和DAC寄存器清零，确保系统启动的稳定性。
6. 双缓冲寄存器：允许同时更新多个通道的DAC输出，支持硬件同步输出电压变化。
7. 独立参考输入：四个独立的轨到轨参考输入，可分别为每个DAC通道设置满量程输出电压。
8. 封装形式：提供薄型TSSOP - 16和宽体SOIC - 16两种封装，满足不同的空间和散热需求。
9. 低温度系数：温度系数低至1.5 ppm/°C，保证在不同温度环境下的稳定性能。
10. 汽车级应用：部分型号经过汽车级应用认证，适用于汽车电子领域。

应用领域

1. 汽车输出电压调节：在汽车电子系统中，可用于调节各种传感器和执行器的输出电压。
2. 便携式通信设备：为便携式通信设备提供精确的模拟信号输出，如射频模块的偏置电压控制。
3. 数字校准：在需要数字控制校准的系统中，可作为校准信号源。
4. PC外设：用于PC外设的模拟信号生成，如音频设备、显示设备等。

技术参数详解

静态性能

参数	AD7398	AD7399
分辨率	12位	10位
相对精度（INL）	±1.5 LSB max	±1.5 LSB max
差分非线性（DNL）	±1 LSB max	±1 LSB max
零刻度误差（VZSE）	±2.5 mV max	±2.5 mV max
满刻度电压误差（VFSE）	±2.5 mV max	±1.5 mV max
满刻度温度系数（TCVFS）	1.5 ppm/°C typ	1.5 ppm/°C typ

参考输入

参数	AD7398	AD7399
参考输入范围（VREF）	0/VDD	VSS/VDD
输入电阻（RREF）	35 kΩ typ	35 kΩ typ
输入电容（CREF）	5 pF typ	5 pF typ

模拟输出

参数	AD7398	AD7399
输出电压范围（VOUT）	0 to VREF	0 to VREF
输出电流（IOUT）	±5 mA typ	±5 mA typ
容性负载（CL）	200 pF max	200 pF max

逻辑输入

参数	AD7398	AD7399
逻辑输入低电压（VIL）	0.5 V max	0.8 V max
逻辑输入高电压（VIH）	2.1 - 2.4 V min	2.4 V min
输入泄漏电流（IIL）	1 μA max	1 μA max
输入电容（CIL）	10 pF max	10 pF max

接口时序

参数	AD7398	AD7399
时钟频率（fCLK）	11 MHz max	16.6 MHz max
时钟高电平宽度（tCH）	45 ns min	30 ns min
时钟低电平宽度（tCL）	45 ns min	30 ns min
CS到时钟建立时间（tCSS）	10 ns min	5 ns min
时钟到CS保持时间（tCSH）	20 ns min	15 ns min
Load DAC脉冲宽度（tLDAC）	45 ns min	30 ns min
数据建立时间（tDS）	15 ns min	10 ns min
数据保持时间（tDH）	10 ns min	5 ns min
Load建立到CS时间（tLDS）	0 ns min	0 ns min
Load保持到CS时间（tLDH）	20 ns min	15 ns min

交流特性

参数	AD7398	AD7399
输出压摆率（SR）	2 V/μs typ	2 V/μs typ
建立时间（tS）	6 μs typ	6 μs typ
关断恢复时间（tSDR）	6 μs typ	6 μs typ
DAC毛刺（Q）	150 nVs typ	150 nVs typ
数字馈通（QDF）	15 nVs typ	15 nVs typ
馈通（VOUT/VREF）	-63 dB typ	-63 dB typ

电源特性

参数	AD7398	AD7399
关断电源电流（IDD_SD）	30/60 μA typ/max	30/60 μA typ/max
正电源电流（IDD）	1.5/2.8 mA typ/max	1.5/2.8 mA typ/max
负电源电流（ISS）	1.5/2.5 mA typ/max	1.5/2.5 mA typ/max
功耗（PDISS）	5 mW typ	5 mW typ
电源灵敏度（PSS）	0.006 %/% max	0.006 %/% max

工作原理分析

DAC操作

AD7398/AD7399内部采用R - 2R梯形电阻网络，工作在电压切换模式下，输出电压与输入参考电压极性相同。通过专有缩放技术对输入参考电压进行衰减，再由输出缓冲放大器将内部DAC输出放大到与参考电压相同的增益。 DAC输出电压计算公式如下：

• AD7398：(V{OUT}=V{REF}×D / 4096)
• AD7399：(V{OUT}=V{REF}×D / 1024) 其中，D是数据字的12位或10位十进制等效值，(V_{REF})是外部施加的参考电压。

参考电压与电源

• 参考电压选择：参考输入电压(V{REF})决定了DAC的满量程输出电压，其取值范围为(V{SS}{REF}{DD})。此外，该器件还支持乘法应用，交流输入信号幅度可达±5 VP。
• 电源连接：为保证良好的模拟性能，建议使用低噪声、低纹波的电源，并在电源引脚附近并联0.01 μF陶瓷电容和1 μF - 10 μF钽电容进行旁路。同时，尽量使用系统的模拟电源为AD7398/AD7399供电，避免使用数字5V电源。

电源时序

在电源上电和下电过程中，需要注意电源的时序问题，以避免可能的锁存现象。建议按照GND、VDD/VSS、VREF/数字输入/数字输出的顺序上电，下电顺序则相反。对于未使用的DAC通道，应将其(V_{REF})引脚连接到GND或其他电源，以确保相同的上电/下电顺序。

可编程电源关断

通过设置串行输入寄存器的最高两位SA和SD，可以实现对DAC通道的电源关断控制。当SA = 1时，所有DAC通道进入关断模式；当SA = 0且SD = 1时，由A0和A1位指定的特定DAC通道将被关断。

最坏情况精度计算

假设参考电压理想，最坏情况下的输出电压可以通过以下公式计算： (V{OUT}=frac{D}{2^{N}}×(V{REF}+V{FSE})+V{ZSE}+INL) 其中，D是加载到DAC的十进制代码（(0 ≤D ≤2^{N}-1)），N是DAC的位数，(V{REF})是施加的参考电压，(V{FSE})是满刻度误差，(V_{ZSE})是零刻度误差，INL是积分非线性（在满刻度或零刻度时为0）。

串行数据接口

AD7398/AD7399采用3线SPI兼容串行数据接口，数据以MSB优先的方式时钟输入。AD7398的串行数据为16位字格式，AD7399为14位字格式。数据在CLK的上升沿时钟输入到串行寄存器，前提是CS引脚为低电平。当CS引脚返回高电平时，只有最后输入的16位（AD7398）或14位（AD7399）数据被处理。

上电复位

上电时，内部复位脉冲将所有输入和DAC寄存器清零，确保输出电压为零。为保证复位效果，(V_{DD})电源应具有平滑的正斜坡，避免在1.5V - 2.2V区域内出现下垂现象。

应用电路设计

阶梯窗口比较器

在许多应用中，需要判断电压是否在预定范围内。可以使用AD7398/AD7399和比较器构建非重叠或重叠窗口比较器电路。非重叠窗口比较器使用一个AD7398/AD7399和十个比较器实现五个电压窗口，重叠窗口比较器则使用六个比较器实现三个重叠窗口。

可编程DAC参考电压

利用AD7398/AD7399的灵活性，可以使用其中一个内部DAC来控制其余DAC的公共可编程参考电压(V{REFX})。(V{REFX})与(V{REF})的关系取决于数字代码以及R1和R2的比值，计算公式如下： (V{REFX}=frac{V{REF}×(1+frac{R2}{R1})}{(1+frac{D}{2^{N}}×frac{R2}{R1})}) 为确保(V{REFX})的精度，建议使用高精度、低温度系数的薄膜电阻。

与微处理器的接口设计

AD7398/AD7399可以与多种微处理器和DSP进行接口，如ADSP - 2101、68HC11/68L11、MICROWIRE、80C51/80L51等。在接口设计时，需要注意时钟信号、数据信号和同步信号的连接，以及数据格式和时序的匹配。例如，80C51/80L51输出数据是LSB优先，而AD7398/AD7399期望MSB优先，因此需要在软件中进行数据位序的调整。

总结

AD7398/AD7399是一款功能强大、性能优越的四通道数模转换器，具有高分辨率、低功耗、宽电源范围、SPI兼容接口等优点，适用于多种应用场景。在设计过程中，需要充分考虑其技术参数、工作原理和接口要求，以确保系统的稳定性和可靠性。希望本文能对电子工程师在选择和应用AD7398/AD7399时有所帮助。大家在实际应用中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。