電路功能與優(yōu)勢
圖1所示電路提供20位可編程電壓，其輸出范圍為−10 V至+10 V ,，同時(shí)積分非線性為±1 LSB,、微分非線性為±1LSB，并且具有低噪聲特性,。
該電路的數(shù)字輸入采用串行輸入,，并與標(biāo)準(zhǔn)SPI、QSPI™,、MICROWIRE®和DSP接口標(biāo)準(zhǔn)兼容,。對于高精度應(yīng)用，通過結(jié)合使用AD5791,、AD8675和AD8676等精密器件，該電路可以提供高精度和低噪聲性能,。
基準(zhǔn)電壓緩沖對于設(shè)計(jì)至關(guān)重要,，因?yàn)?a class="innerlink" href="http://forexkbc.com/tags/DAC" title="DAC" target="_blank">DAC基準(zhǔn)輸入的輸入阻抗與碼高度相關(guān)，如果DAC基準(zhǔn)電壓源未經(jīng)充分緩沖,，將導(dǎo)致線性誤差,。AD8676開環(huán)增益高達(dá)120 dB，已經(jīng)過驗(yàn)證和測試,，符合本電路應(yīng)用關(guān)于建立時(shí)間,、失調(diào)電壓和低阻抗驅(qū)動(dòng)能力的要求。而AD5791經(jīng)過表征和工廠校準(zhǔn),，可使用雙通道運(yùn)算放大器AD8676對其基準(zhǔn)電壓輸入進(jìn)行緩沖,，從而進(jìn)一步增強(qiáng)配套器件的可靠性。
這一器件組合可以提供業(yè)界領(lǐng)先的20位分辨率,、±1 LSB積分非線性(INL)和±1 LSB微分非線性(DNL),，可以確保單調(diào)性，并且具有低功耗,、小尺寸PCB和高性價(jià)比等特性,。
圖1. 20位精密、±10 V電壓源（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）
電路描述
圖1所示數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)為AD5791,，這是一種具有SPI接口的20位高壓轉(zhuǎn)換器,，提供±1 LSB INL,、±1 LSB DNL性能和7.5 nV/√Hz噪聲頻譜密度。另外,，,，AD5791還具有極低的溫漂 (0.05 ppm/°C)特性。AD5791采用的精密架構(gòu)要求強(qiáng)制檢測緩沖其基準(zhǔn)電壓輸入,，從而確保達(dá)到規(guī)定的線性度,。選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器（B1和B2）應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性,。針對此功能推薦用AD8676放大器,，這是一種超精密、36 V,、2.8 nV/√Hz雙通道運(yùn)算放大器,，具有0.6 μV/°C低失調(diào)漂移和2 nA輸入偏置電流。此外,，AD5791經(jīng)過表征和工廠校準(zhǔn),，可使用該雙通道運(yùn)算放大器來緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入，從而進(jìn)一步增強(qiáng)配套器件的可靠性,。
圖1顯示AD5791配置有獨(dú)立的正和負(fù)基準(zhǔn)電壓,，因此輸出電壓范圍是從負(fù)基準(zhǔn)電壓到正基準(zhǔn)電壓，本例中為−10 V到+10 V,。輸出緩沖器為AD8675,，它是AD8676的單通道版本，具有低噪聲和低漂移特性,。同時(shí)使用放大器AD8676（A1和A2）,，將+5 V基準(zhǔn)電壓放大為+10 V和−10 V。這些放大電路中的R2,、R3,、R4和R5是精密金屬薄膜電阻，容差為0.01%,，溫度系數(shù)為0.6 ppm/°C,。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度范圍內(nèi)的最佳性能，可以使用Vishay 300144或VSR144系列等電阻網(wǎng)絡(luò),。所選電阻值較低（1 kΩ和2 kΩ）,，以便將系統(tǒng)噪聲保持在較低水平。R1和C1構(gòu)成低通濾波器,，截止頻率大約為10 Hz,。該濾波器用于衰減基準(zhǔn)電壓源噪聲。
線性度測量
下列數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明了圖1所示電路的精密性能,。圖2和圖3顯示積分非線性和微分非線性與DAC碼的函數(shù)關(guān)系,。從圖中可以明顯看出,，這兩種特性分別位于±1 LSB和±1 LSB的規(guī)格范圍內(nèi)。
該電路的總非調(diào)整誤差由各種直流誤差共同組成,，即INL誤差,、零電平誤差和滿量程誤差。圖4所示為總非調(diào)整誤差與DAC碼的關(guān)系圖,。最大誤差出現(xiàn)在DAC碼為0（零電平誤差）和1,048,575（滿量程誤差）處,。這與預(yù)期相符，是由電阻對R2和R3,、R4和R5的不匹配以及放大器A1,、A2、B1和B2的失調(diào)誤差（見圖1）引起的,。
本例中,，電阻對的額定不匹配最大值為0.02%（典型值遠(yuǎn)低于此）。放大器失調(diào)誤差為75 μV（最大值）或滿量程范圍的0.000375%,，相對于電阻不匹配所導(dǎo)致的誤差可忽略不計(jì),。因此，預(yù)期的滿量程和零電平誤差最大值約為0.02%或210 LSB,。圖4顯示實(shí)測滿量程誤差為1 LSB,，實(shí)測零電平誤差為4 LSB或滿量程范圍的0.0003%，表明所有器件的性能都明顯優(yōu)于其額定最大容差,。
圖2. 積分非線性與DAC碼的關(guān)系
圖3. 微分非線性與DAC碼的關(guān)系
圖4. 總非調(diào)整誤差與DAC碼的關(guān)系
噪聲測量
要實(shí)現(xiàn)高精度,，電路輸出端的峰峰值噪聲必須維持在1 LSB以下，對于20位分辨率和20 V峰峰值電壓范圍則為19.07 μV,。圖5所示為10秒內(nèi)在0.1 Hz至10 Hz帶寬內(nèi)測得的峰峰值噪聲。三種條件下的峰峰值分別為1.48 μV（中間電平輸出）,、4.66 μV（滿量程輸出）和5.45 μV（零電平輸出）,。中間電平輸出的噪聲最低，此時(shí)噪聲僅來自DAC內(nèi)核,。選擇中間電平碼時(shí),，DAC會衰減各基準(zhǔn)電壓路徑的噪聲貢獻(xiàn)。
圖5. 電壓噪聲（0.1 Hz至10 Hz帶寬）
不過,，實(shí)際應(yīng)用中不會在0.1 Hz處有高通截止頻率來衰減1/f噪聲,，但會在其通帶中包含低至DC的頻率；因此,，測得的峰峰值噪聲更為實(shí)際,，如圖6所示。本例中,，電路輸出端的噪聲是100秒內(nèi)測得的,，測量充分涵蓋低至0.01Hz的頻率,。截止頻率上限大約為14 Hz并受限于測量設(shè)置。對于圖6所示的三種條件,，對應(yīng)峰峰值分別為4.07 μV（中間電平輸出）,、11.85 μV（滿量程輸出）和15.37 μV（零電平輸出）。最差情況下的峰峰值 (15.37 μV)大致相當(dāng)于0.8 LSB,。
圖6. 100秒內(nèi)測得的電壓噪聲
隨著測量時(shí)間變長,，將包括較低頻率，而峰峰值將變大,。頻率較低時(shí),，溫度漂移和熱電偶效應(yīng)會變成誤差源。通過選擇AD5791,、AD8675和AD8676等熱系數(shù)較低的器件,，并仔細(xì)考慮電路結(jié)構(gòu)，可以將這些效應(yīng)降至最低,，請參閱“了解更多信息”部分中的鏈接文檔,。
常見變化
AD5791支持各種不同的輸出范圍，從0 V至+5 V,、最高±10 V以及該范圍內(nèi)的任意值,。根據(jù)需要，圖1所示的配置可以用來產(chǎn)生對稱或非對稱范圍,?；鶞?zhǔn)電壓分別加在VREFP和VREFN，輸出緩沖器應(yīng)按照AD5791數(shù)據(jù)手冊所述配置為單位增益,，將AD5791內(nèi)部控制寄存器的RBUF位設(shè)置為邏輯1,。
AD5791還提供增益為2的工作模式，可以從一個(gè)正基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生對稱的雙極性輸出范圍,，如AD5791數(shù)據(jù)手冊所述,，從而無需產(chǎn)生負(fù)基準(zhǔn)電壓。然而,，這種模式會引起較大的滿量程和零電平誤差,。將AD5791內(nèi)部控制寄存器的RBUF位設(shè)為邏輯0，便可選擇這種模式,。
電路評估與測試
圖1所示電路在經(jīng)過修改的AD5791評估板上構(gòu)建,。有關(guān)AD5791評估板和測試方法的詳細(xì)信息，參見評估板用戶指南 UG-185,。