盡管數字設備很受歡迎，但現實世界的信號通常由模擬信號表示。數字控制系統通過使用模數轉換器 （ADC） 將模擬信號轉換為數字信號來處理模擬信號。轉換回模擬信號是使用數模轉換器（DAC）完成的。Maxim提供8位至16位的完整精密DAC系列。找到滿足應用要求的DAC非常重要。設計工程師在選擇DAC時需要考慮線性度、分辨率、速度和精度等參數。

盡管數字電子產品被廣泛使用，但現實世界仍然是模擬的。因此，在系統的數字和模擬部分之間的接觸點需要數模轉換器（DAC）。以下討論涵蓋了選擇DAC時應考慮的重要參數。它還突出了設備中可用的一些有趣功能。

大多數電子設備現在都包括數字控制電路，但仍需要模擬值來控制閥門、揚聲器和其他執行器。從數字到模擬的轉換通常在專用的D/A轉換器內完成。該DAC可以根據轉換要求和系統設置從大量可用的標準電路中選擇。

分辨率

在選擇DAC時，第一步是確定必要的分辨率N，其中2N× LSB（最低有效位）等于最大模擬輸出。Maxim為DAC提供多種產品，其分辨率范圍為8位至16位（256步至65，536步）。但是，分辨率不會指示準確性，因為必須考慮其他誤差源。

下一個感興趣的參數是積分非線性（INL），它描述了DAC傳遞函數與直線的偏差。對于DAC，每一步都要測量該偏差（圖1a）。直線可以是實際傳遞函數的最佳近似值，也可以是在傳遞函數端點之間繪制的直線（減去增益和失調誤差后）。雖然低成本器件將此參數指定為高達 ±16 LSB，但通常可以通過在操作軟件中使用校正系數來改進。對于高端DAC，INL值優于±1 LSB。

微分非線性（DNL）是實際步進高度與1 LSB理想值之間的差值。DNL的目標值（大于-1 LSB）確保DAC是單調的。這意味著不會丟失任何數據，因為輸出總是隨著數字輸入的變化而變化;它響應數字增量而增加，并響應數字減少而減少。圖1b根據傳遞函數定義了DNL。

實際輸出與理想值的偏差如圖1c所示。對于DAC，當數字輸入為零時，失調誤差等于輸出電壓。該誤差對于所有輸入值都保持不變，通常可以通過校準電路來補償。失調誤差通常指定為以毫伏為單位的絕對值，而不是LSB。 （以LSB為單位的失調誤差取決于輸出步進高度，而輸出步進高度又取決于基準電壓電平。可接受的失調誤差通常小于±10mV。

增益誤差是理想最大輸出電壓與減去失調誤差后傳遞函數的實際最大值之差（圖 1d）。由于增益誤差會改變傳遞函數的斜率，因此它為每個步驟提供相同的百分比誤差。增益誤差以LSB或毫伏表示，以最大值的百分比表示。

圖1.這些圖表定義了DAC的主要性能參數：（a）積分非線性，（b）差分非線性，（c）失調誤差和（d）增益誤差。

動態輸出特性

理想的DAC在將數字值施加到輸入后立即提供其模擬輸出。然而，實際DAC的建立時間由內部傳播延遲和輸出驅動器中的有限壓擺率組成。建立時間從轉換開始開始，在DAC輸出穩定時結束，并包括任何靜態誤差。

一種稱為“數字饋通”的噪聲可以在DAC的輸出端測量。輸入端的每個數字轉換都耦合到輸出端。雖然是由DAC本身引起的，但接地和電路板布局不當會加劇這種影響。

數據接口

以前，使用最廣泛的數據接口是并行類型。它仍然具有快速傳輸和簡單數據協議的優點。Maxim提供各種具有并行接口的DAC，例如具有片內精密輸出的7839位電壓輸出DACMX13。

與并行接口相比，串行接口的引腳數較少，需要更少的電路板空間，并允許采用更小的封裝。兩種主要的串行接口協議是SPI?和I2C。SPI支持全雙工通信，吞吐量高于I2C。此外，SPI接口不需要上拉電阻，從而降低了功耗。但是，I2C接口所需的引腳/線路更少。Maxim提供各種具有SPI或I2C接口的DAC。例如，MAX5812為12位、低功耗電壓輸出DAC，具有I2C兼容的2線串行接口。MAX5214為14位、低功耗、緩沖單DAC，具有3線SPI接口。

參考電壓

在很大程度上，DAC的特性由其基準電壓決定，無論是在DAC內部產生還是在外部施加。一、基準電壓（V裁判） 設置DAC的最大輸出電壓，如果輸出信號未被額外的輸出級放大。V裁判還定義了輸出響應輸入端的1 LSB躍遷而變化的電壓階躍。一步等于 V裁判/2N，其中 N 是 DAC 分辨率。

在恒定溫度下，基準電壓源的輸出電壓在其初始精度指定的范圍內變化。對于溫度變化，輸出電壓漂移直接影響DAC的質量（表1）。

表 1.允許溫度范圍，最大漂移為 ±1 LSB（采用 2.5V 基準電壓源）

表1顯示，DAC的基準電壓源漂移要求最小。集成基準電壓源通常為100ppm/°C，因此僅適用于有限的溫度范圍。一個例外是12位/13位MAX5122/

MAX5132

，其集成的精密基準規定最大漂移為10ppm/°C （3ppm/°C，典型值）。

連接外部基準電壓源時，不僅應考慮DAC基準輸入所需的電流和電壓范圍，還應考慮DAC內部結構產生的任何動態效應。隨著施加數字值的變化，基準輸入電阻也會發生變化。因此，所選基準電壓源必須能夠在所需時間內遵循每個負載步驟，或者必須添加旁路電容或運算放大器緩沖器。

帶有外部基準輸入的DAC（如MAX5170）也可以工作在乘法模式。對基準輸入施加可變電壓（而不是恒定電壓）（圖 2）。可變電壓與調整后的數字輸入值相乘并傳輸到輸出端，產生精確的數字電位計效果。對于這種工作模式，應考慮DAC的帶寬和電壓范圍，以及基準輸入的動態特性。這些特性包括從基準輸入到輸出的電壓饋通，數字值為零。

圖2.乘法DAC產生數字輸入和交流基準信號的乘積。

輸出級

DAC的輸出級可以設計為提供電壓或電流輸出，但更簡單的電壓輸出具有更大的市場份額。一些Maxim器件提供固定增益的電壓輸出或非專用放大器作為選項，即所謂的“力檢測”輸出。這種布置允許您使用兩個外部電阻設置單獨的增益（圖 3a）。力檢測電壓輸出還可以實現電流輸出（圖 3b）。

圖3.一個非專用輸出運算放大器提供“力檢測”輸出（a）。運算放大器配置如（b）所示，為DAC提供電流輸出。

MAX5120和MAX5170系列提供特殊的上電特性，稱為“毛刺預防”。如果沒有此功能，DAC輸出在上電時僅跟隨電源電壓，直到集成電路開始工作。該動作會以高達3V高的脈沖破壞輸出，從而導致以下電路出現故障。MAX5120/MAX5170器件抑制該脈沖。它們還提供上電復位，用于清除所有DAC寄存器。這種復位可以調整為0V或最大輸出電壓（中檔）的一半時上電，這是雙極性輸出級所要求的。

大多數現代設備都采用單極性電源供電，但如果添加外部雙極性放大器并將最大輸出電壓的中間范圍定義為零，它們可以提供雙極性輸出信號。12位MAX5322等器件采用雙極性電源供電，直接提供雙極性輸出電壓。作為DAC電源的另一個考慮因素，應注意，如果數字輸入電壓比電源電壓高0.3V，則可能發生閂鎖。特別是，上電或關斷時不應將數據信號施加到DAC輸入。肖特基二極管可針對此問題提供保護（圖 4）。

圖4.肖特基二極管在上電或斷電時提供閂鎖效應保護。

審核編輯：郭婷