許多現代工業和儀器儀表系統可以使用幾種不同的電源，最常見的是模擬電路為15 V，數字邏輯為3 V或5 V。這些應用中的大多數要求輸出以10 V擺幅驅動大型外部負載。本文討論了為這些應用選擇數模轉換器（DAC）時遇到的各種權衡，并提出了詳細的電路圖。

可編程邏輯控制器 （PLC）、過程控制或電機控制等工業應用中的模擬輸出系統需要 0 V 至 10 V 或 >10 V 的單極性或雙極性電壓擺幅。一種可能的解決方案是選擇可以直接產生所需輸出電壓的雙極性輸出DAC。另一種解決方案是使用低壓單電源（LVSS）DAC，將輸出電壓放大到所需的輸出電平。為應用選擇最佳方法需要用戶了解輸出要求，并認識到每種解決方案的主要優點或局限性。

能夠直接產生所需輸出擺幅的雙極性DAC有幾個優點和局限性值得考慮。主要優勢包括：

簡單—電路板的設計不太復雜，因為所需的0 V至10 V或>10 V輸出電平可通過硬件或軟件配置直接獲得。此外，通常集成故障保護模式，從而簡化系統設計。

提高可制造性和可靠性，因為不需要放大器、開關和電阻器等分立元件。有時還集成了基準電壓源。

測量系統誤差和總非調整誤差（TUE）—保證線性度、噪聲、失調和漂移規格，并且通過對DAC內的各種誤差源求和，可以輕松計算整體系統誤差或TUE。TUE有時會在數據手冊中指定。

端點誤差—在某些情況下，雙極性DAC具有校準功能，允許即時進行系統失調和增益誤差調整。

雙極DAC的主要缺點包括：

靈活性有限—集成高壓放大器可能不是應用的最佳選擇。輸出放大器通常針對特定的負載和噪聲要求進行優化。即使數據手冊中指定的范圍可能與系統中的實際負載相匹配，其他參數（如建立時間或功耗）也可能不符合系統規格。

成本和電路板面積——雙極性DAC通常采用較大幾何形狀的工藝設計，導致芯片和封裝更大、更昂貴。

使用具有外部信號調理功能的低壓DAC是產生工業應用所需的高壓輸出擺幅和跨度的另一種方法。同樣，有一些重要的權衡值得考慮。分立式解決方案的主要優點包括：

LVSS DAC往往具有更高級別的所需邏輯集成和更高速的邏輯接口，從而釋放微控制器用于其他任務。

輸出可能必須提供大電流或驅動大容性負載，而雙極性DAC的片內放大器無法處理這些負載。分立式解決方案允許選擇適合應用的最佳獨立放大器。

可以輕松實現超量程功能（10 V 標稱量程上的 10.8 V 輸出），為最終用戶在需要打開或關閉隨時間磨損的閥門等應用中提供額外的靈活性。

成本—LVSS DAC通常比雙極性DAC便宜，從而降低了整體物料清單成本。

減少電路板面積—LVSS DAC采用低壓亞微米或深亞微米工藝設計，采用小型封裝。

分立式解決方案的主要缺點包括：

額外的設計時間需要花在優化電路板和設計端點調整電路上。

由于必須考慮其他誤差源，因此計算總誤差或 TUE 變得更加困難。

隨著分立元件數量的增加，可制造性和可靠性降低。

應用必須具有可用的低壓電源（5 V或3 V）。

總之，在精密工業10 V應用的設計中需要考慮許多因素。顯然，設計人員必須充分了解輸出負載要求和系統中可以容忍的總體誤差。此外，電路板面積和成本是選擇最佳解決方案的重要因素。對于必須驅動大容性負載（1 μF）但需要低噪聲和快速建立（20 V量程為<10 s）的應用，分立式方案幾乎總是最佳方法。雖然雙極性DAC在靈活性方面永遠無法與分立解決方案相媲美，但它們的簡單性和簡單的TUE計算相結合，使其在廣泛的工業和儀器儀表應用中具有吸引力。

以下討論說明如何使用雙電源雙極性輸出DAC和低壓單電源DAC以及外部信號調理來實現精密10 V輸出。

電路概述：雙電源雙極性輸出DAC

功能框圖（如圖1所示）說明了雙極性輸出DAC的主要元件。它由精密DAC、基準、基準電壓緩沖器、失調和增益調整以及輸出放大器組成。集成精密基準電壓源以適應16位應用已被證明是困難的，但最近的工藝改進和設計技術現在允許在片上設計和集成具有出色漂移和熱特性的基準電壓源。熱關斷、短路保護和上電/斷電等條件下的輸出控制等故障保護模式是雙極性DAC通常集成的關鍵特性，從而簡化了系統設計。DAC提供相對于基準電壓源的數字代碼至電壓輸出轉換。調整模塊提供了偏移和縮放DAC傳遞函數的能力。

圖1.AD5764雙極性DAC的功能框圖

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AD5764四通道、16位串行輸入、電壓輸出DAC采用12 V至15 V電源供電。該器件的標稱滿量程輸出范圍為10 V，包括輸出放大器、基準電壓緩沖器、精密基準電壓源和專有的上電/關斷控制電路。它還具有模擬溫度傳感器以及每個通道的數字失調和增益調整寄存器。AD5764采用ADI公司的工業CMOS（iCMOS）制造工藝技術設計，該技術將高壓互補雙極晶體管與亞微米CMOS相結合。?

電路概述：低壓單電源DAC和外部信號調理

圖2顯示了如何使用LVSS DAC為工業應用產生10 V輸出范圍。它由五個不同的模塊組成：LVSS DAC、基準電壓源、失調調整、基準電壓緩沖器和輸出放大器。

圖2.分立式±10 V模擬輸出框圖。

DAC提供相對于基準電壓源的數字代碼至電壓輸出轉換。失調調整能夠失調DAC的單極性傳遞函數以產生雙極性輸出，并能夠校準0 V端點。基準電壓緩沖器為基準電壓源和失調調整模塊提供負載隔離（多個DAC可以共享此緩沖輸出）。輸出放大器對失調調整求和，并提供所需的增益，以將輸出擺幅提高到所需水平。此外，輸出放大器能夠將大容性負載驅動至電源軌。

圖3中的電路說明了如何放大精密LVSS 16位DAC以實現10 V的輸出擺幅。DAC具有0至2.5 V輸出范圍，并連接到放大器U3的同相輸入。該輸入的同相增益為（1 + R2/R1），在本例中為8。運算放大器的反相輸入連接到基準電壓源和電阻分壓器網絡U6產生的1.429 V電壓。該輸入的反相增益為（–R2/R1），在本例中為–7。因此，該電路的輸出將DAC編程為零代碼0000h，為：

圖3.精密 10 V 模擬輸出的電路細節。

將DAC編程為滿量程代碼FFFFh時，輸出為

通常，任何輸入代碼的輸出電壓都可以計算如下：

其中 D 表示精密 16 位 DAC（0 到 65535）的十進制格式輸入代碼，如本例所示。與 V裁判= 2.5 V，R1 = R，R2 = 7 R。非易失性存儲器數字電位計用于調整系統的零失調誤差，因此即使在電源關斷的情況下也能保留失調值。可以選擇由U7、U6和R3組成的電阻網絡，以提供0 V時所需的調節范圍。PLC模擬輸出模塊所需的其他輸出范圍，如+5 V、5 V、+10 V或10.8 V（在超量程可能很重要的情況下），可以輕松配置。

該電路由以下元件組成：U1—ADR421，精密、低噪聲2.5 V基準電壓源，3 ppm/°C漂移，MSOP封裝，U2—AD5062，16位，1 LSB最大值INL，5V/3V電源，串行輸入納米DAC?，SOT-23 封裝，U3 和 U5—OP1177，精密運算放大器，15 V 電源，MSOP 封裝 U4 和 U6 — 帶 ESD 保護的精密電阻網絡，U7—AD5259，256 抽頭非易失數字電位計，MSOP 封裝。

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16位AD5062保證單調性，具有1 LSB最大值DNL和INL。其單極性輸出具有50 V最大失調誤差和0.02%最大增益誤差。其高速串行接口支持高達 30 MHz 的時鐘速度。它采用微型 SOT-23 封裝。

結論

越來越多的工業和儀器儀表應用需要精密轉換器來精確控制和測量各種過程。此外，這些終端應用要求更高的靈活性、可靠性和功能集，同時降低成本和電路板面積。組件制造商正在應對這些挑戰，并提供多種產品來滿足系統設計人員對當前和未來設計的需求。

從本文可以看出，為精密應用選擇合適的組件有許多不同的方法，每種方法都有其相關的缺點和優點。隨著系統精度的提高，需要花更多的心思來選擇合適的組件以滿足應用需求。

審核編輯：郭婷