高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的技巧

電路功能與優(yōu)勢(shì)

本電路利用電壓輸出DACAD5542 、基準(zhǔn)電壓源ADR421BRZ以及用作基準(zhǔn)電壓緩沖的自穩(wěn)零運(yùn)算放大器AD8628 ，可實(shí)現(xiàn)精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。AD8628基準(zhǔn)電壓緩沖可提供以前只有昂貴的自穩(wěn)零或斬波穩(wěn)定放大器才具有的特性優(yōu)勢(shì)。這些零漂移放大器采用ADI公司的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將低成本與高精度、低噪聲特性融于一體。無需外部電容，而且與大多數(shù)斬波穩(wěn)定放大器相關(guān)的數(shù)字開關(guān)噪聲大大降低，因此這種放大器是基準(zhǔn)電壓緩沖的最佳選擇。

本電路可實(shí)現(xiàn)精密、低功耗、電壓輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換。AD5542有兩種工作模式：緩沖模式和非緩沖模式。何種工作模式最佳由具體應(yīng)用及其建立時(shí)間、輸入阻抗、噪聲等要求而定?？梢愿鶕?jù)直流精度或快速建立時(shí)間要求來選擇輸出緩沖放大器。如果要求DAC驅(qū)動(dòng)60 kΩ以下的負(fù)載，則需要輸出緩沖。DAC的輸出阻抗恒定，且與數(shù)字碼無關(guān)，但為了將增益誤差降至最小，輸出放大器的輸入阻抗應(yīng)盡可能高。輸出放大器還應(yīng)具有1 MHz或更高的3 dB帶寬。輸出放大器給系統(tǒng)增加了另一個(gè)時(shí)間常數(shù)，因此會(huì)延長最終輸出的建立時(shí)間。

放大器的3 dB帶寬越高，則DAC與放大器組合的有效建立時(shí)間越快。電路中的所有器件均可采用+5 V單電源供電?；鶞?zhǔn)電壓源ADR421的輸入電壓范圍為4.5 V至18 V。

圖1：精密DAC配置（原理示意圖）

電路描述

本電路采用電壓輸出DAC AD5542，提供16位、高精度性能。AD5541

高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的技巧

其中D為載入DAC寄存器的十進(jìn)制數(shù)字字，N為DAC的分辨率。

對(duì)于2.5 V基準(zhǔn)電壓，上述公式可簡化為下式：

高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的技巧

因此，中間電平碼對(duì)應(yīng)的VOUT 為1.25 V，滿量程碼對(duì)應(yīng)的VOUT為2.5 V。

LSB大小為2.5 V/65,536 = 38.1 μV。

有一個(gè)普遍的誤解認(rèn)為自穩(wěn)零放大器不可靠，因?yàn)閮?nèi)部開關(guān)動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致交調(diào)項(xiàng)，并使不需要的諧波未經(jīng)濾除便進(jìn)入到輸出。以前的自穩(wěn)零放大器采用自穩(wěn)零或斬波穩(wěn)定技術(shù)，傳統(tǒng)的自穩(wěn)零技術(shù)使自穩(wěn)零頻率時(shí)的噪聲能量較低，但由于自穩(wěn)零頻帶中混疊寬帶噪聲，因此會(huì)造成低頻噪聲較高。斬波技術(shù)使低頻噪聲較低，但斬波頻率時(shí)的噪聲能量較大。AD8628系列采用已獲專利的乒乓式配置，同時(shí)使用自穩(wěn)零和斬波技術(shù)，可在斬波和自穩(wěn)零頻率獲得較低的低頻噪聲以及較低的能量，從而使大部分應(yīng)用的信噪比達(dá)到最高，且不需要額外濾波。內(nèi)部斬波頻率相對(duì)較高(15 kHz)，因此在儀器儀表和過程控制應(yīng)用中，可簡化對(duì)濾波器的有效、無噪聲、寬帶寬要求。

測量結(jié)果顯示：在高精度、高性能系統(tǒng)中將AD8628用作基準(zhǔn)電壓緩沖，可以實(shí)現(xiàn)高精度、低噪聲以及最低高頻交調(diào)失真（折合到輸出端）性能。

積分非線性(INL)誤差指實(shí)際DAC傳遞函數(shù)與理想傳遞函數(shù)的偏差，用LSB表示。差分非線性(DNL)誤差指實(shí)際步進(jìn)大小與1 LSB的理想值之間的差異。圖1所示電路在16位分辨率時(shí)的INL誤差為±1 LSB，DNL誤差為±1 LSB。圖2和圖3顯示了該電路的INL和DNL性能。

圖2：積分非線性誤差與輸入碼的關(guān)系

圖3：差分非線性誤差與輸入碼的關(guān)系

測得的失調(diào)誤差和增益誤差分別為10 μV和170 μV。±5 LSB的增益誤差和±1 LSB的零碼誤差均在38 μV額定誤差范圍（2.5 V基準(zhǔn)電壓、環(huán)境溫度）內(nèi)。

圖 4顯示該電路的0.1 Hz至10 Hz噪聲圖。DAC的輸出VOUT與0.1 Hz至10 Hz帶寬濾波器的輸入端相連，濾波器之后接一個(gè)放大器，其增益為10,000。用一個(gè)示波器捕捉電壓噪聲，觀察到非常低的峰峰值電壓57 mV（相對(duì)于DAC輸出為5.7 μV）。

圖4：0.1 Hz至10 Hz輸出噪聲圖；滿量程碼載入DAC（1/f噪聲 = 57 mV/10,000 = 5.7 μV）

圖5顯示利用頻譜分析儀得到的DAC輸出，掃頻范圍為100 Hz至100 kHz。沒有觀察到明顯的交調(diào)失真(IMD)項(xiàng)，表明將AD8628等自穩(wěn)零放大器用作基準(zhǔn)電壓緩沖是極佳選擇。

圖5：DAC輸出頻譜密度圖（dB折合到滿量程）

在任何注重精度的電路中，精心考慮電源和電路板上的接地回路布局有助于達(dá)成目標(biāo)。包含該電路的印刷電路板(PCB)應(yīng)具有單獨(dú)的模擬和數(shù)字部分。如果該電路所在系統(tǒng)中有其它器件要求AGND至DGND連接，則只能在一個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行連接。該接地點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近AD5542。AD5542的電源應(yīng)使用10 μF和0.1 μF電容進(jìn)行旁路。這些電容應(yīng)盡可能靠近該器件，0.1 μF電容最好正對(duì)著該器件。10 μF電容為鉭珠型電容。0.1 μF電容必須具有低有效串聯(lián)電阻(ESR)和低有效串聯(lián)電感(ESL)，普通陶瓷型電容通常具有這些特性。針對(duì)內(nèi)部邏輯開關(guān)引起的瞬態(tài)電流所導(dǎo)致的高頻，該0.1 μF電容可提供低阻抗接地路徑。電源走線應(yīng)盡可能寬，以提供低阻抗路徑，并減小電源線路上的突波效應(yīng)。時(shí)鐘和其它快速開關(guān)數(shù)字信號(hào)應(yīng)通過數(shù)字地屏蔽起來，使之不受電路板的其它器件影響。

本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季?、接地和去耦技術(shù)（請(qǐng)參考教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開AGND和DGND的迷團(tuán)”，以及教程MT-101——“去耦技術(shù)”）。

常見變化

AD8538 是另一款適合在該電路中緩沖基準(zhǔn)電壓的優(yōu)秀自穩(wěn)零運(yùn)算放大器，它具有低失調(diào)電壓和超低偏置電流特性。2.5 V輸出ADR421可以用ADR423 或 ADR434代替，二者均為低噪聲基準(zhǔn)電壓源，與ADR421同屬一個(gè)基準(zhǔn)電壓源系列，分別提供3 V和4.096 V輸出。超低噪聲基準(zhǔn)電壓源 ADR441 和ADR431也是合適的替代器件，提供2.5 V輸出。請(qǐng)注意，基準(zhǔn)輸入電壓的大小受所選運(yùn)算放大器的軌到軌輸出電壓能力限制。

本電路沒有使用輸出緩沖，因?yàn)楦鶕?jù)系統(tǒng)帶寬和應(yīng)用需要，輸出緩沖性能可以針對(duì)速度或直流精度進(jìn)行優(yōu)化。AD5661將是出色的輸出緩沖選擇。這是一款單電源、5 V至16 V放大器，采用ADI公司的DigiTrim?專利技術(shù)實(shí)現(xiàn)低失調(diào)電壓，可提供低輸入偏置電流和寬信號(hào)帶寬。AD8605 或 AD8655 也是不錯(cuò)的選擇。