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(多图) 18位数/模转换芯片DAC9881的原理与应用

现代电子技术 魏永旺 罗海波 邹彦?? 2010年03月25日 ?? 收藏0

  数/模转换器是一种将数字量转换成模拟量的器件,简称D/A转换器或DAC(Digital to Analog Con-vetter)。是数字控制系统中的关键器件,用于微处理器输出的数字信号与电压或电流等模拟信号的转换,并送入执行机构进行控制或调节。

  1 芯片的主要性能特点

  T1公司的DAC9881是目前最高精确度的D/A转换芯片。串行输入、电压输出、单电源供电。它采用成熟的HPA07 COMS加工技术,分辨率达到18 b,采用标准的SPI(Serial PeripheralInterface)串行数据输入方式,输入数据时钟频率可达50 MHz,最低有效位稳定至1 LSB,时间仅为5μs,满足DSP,MCU,FPGA等系统的快速性要求。输出电压信号的最大值取决于外部参考电压+VREF,它的范围为2.7~5. 5 V;单通道输出;持续工作时典型功耗为4 mw;最大积分非线性为±2 LSB(INL);最大微分非线性为±1 LSB(DNL);具有超宽的工作温度范围:-40~+125℃。该DAC芯片的特点是具有线性性质优良,噪音低和输出转换特性快速;该芯片通过采用复杂的低噪音缓冲器,使噪音比采用外接元器件构成同等精度的DAC转换器减少75%,其噪音比为24 nV/Hz。配置可编程挂起(低电压模式)和运行功能,可以使系统在不需要进行D/A转换时将DAC芯片挂起,此时输出近似为0.000 0 V,功耗降到125μW,直到接收到写命令操作为止。这样既可显著地降低系统的功耗,同时还能够保证在接到写命令操作后正常写人数据,无需外加电源控制电路,简化设计步骤。

  2 芯片工作原理

  DAC9881的数据输入方式为串行输入,即工作节拍SCLK是和串行二进制数码定时同步的,输入端不需要缓冲器,串行二进制数码在时钟同步下控制D/A转换器逐位工作。因此,转换1个24位输入数码需要24个工作节拍周期,即需要24个时钟周期。串行数据输入后,经过逻辑网络,将串行数据转换为并行数据,进入并行T型电阻网络(分段式R一2R网络),通过保证电阻R的阻值一致性,用微调技术实现对积分线形度及微分线形度进行微调,以实现最优化的积分线性度性能,然后经运算放大器后输出电压信号。内部结构图如图1所示。

内部结构图

  3 引脚及引脚功能

  3.1 DAC9881引脚

  DAC9881引脚如图2所示。

DAC9881引脚

  3.2 主要引脚功能介绍

  主要引脚功能介绍如表1所示。

主要引脚功能介绍

  4 芯片的电气特性

  4.1 输出电压

  对于高精度DAC,系统接地和导线电阻的问题变得尤为重要。如该DAC芯片为18位转换器,当系统的满量程输出为5 V时,1个LSB的值仅为19μV。输出电压范围:

公式

  式中:VREFH为参考电压上限;VREFL为参考电压下限;CODE为输出数据位,范围0~262 143;G为增益,由GAIN引脚设定。

  4.2 数据输入移位寄存器

  当LDAC输入为低电平,片选信号CS为低电平时,每一位输入数据在串行时钟SCLK的上升沿时写入SPI串口移位寄存器,如图3所示。

数据输入时序图

  4.3 数据传输格式

  每个写周期中,向SPI串口移位寄存器写入24位二进制数据,其中D17(MSB)…D0(LSB)为有效数据位,D23…D18为无效数据位,状态任意。其数据格式如表2所示。

数据格式

  5 典型应用

  在控制领域中,如雷达伺服系统、电力电子器件的控制端给定等大多采用的是单极性给定,给定精度的高低直接影响着系统的性能指标。考虑到转换速度越高越好,系统前端可以采用MCU,DSP,FPGA等高速器件作为核心控制单元。单极性输出的典型电路如图 4所示。若要设计任意产生电路,只需将上图4中的反馈环节去除,当要求双极性输出时,电路的设计结构如图5所示。

单极性输出的典型电路

电路的设计结构

  例如,式(1)中当RA=2RB=2CC时,VO=4VOUT-2VREF,这样就可以构成输出为-2VREF~+2VREF的双极性电压信号。

  6 结 语

  DAC9881是一款高性能的数/模转换芯片,具有串行输入、并行处理、电压输出特点;精度高,速度快,可以大大地减少对数据总线的占用,将广泛地应用于高精度的控制场合和波形产生电路,如伺服控制、波形产生、精密仪器等。


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DAC9881? DSP? FPGA? 伺服控制?

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