低速數(shù)模轉(zhuǎn)換器選型的權(quán)衡及分析

當(dāng)選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 時，設(shè)計(jì)師可以從種類繁多的 IC 中選擇。DAC 可以針對具體的應(yīng)用劃分成很多不同類別。不過，DAC 的劃分也可以簡化，僅分成 DC 或低速調(diào)節(jié)所需的 DAC和產(chǎn)生高速波形所需的 DAC。 本文專注于低速應(yīng)用所需的 DAC，而無論該應(yīng)用是低分辨率還是高分辨率、是粗略調(diào)節(jié)還是精細(xì)調(diào)節(jié)。

　　就選擇低速 DAC 而言，決定設(shè)計(jì)是閉環(huán)、開環(huán)或設(shè)定后便不需再過問的系統(tǒng)是很重要。每一種設(shè)計(jì)都需要一個具某些關(guān)鍵性能規(guī)格的 DAC。

　　閉環(huán)系統(tǒng)

　　閉環(huán)系統(tǒng)包括一條反饋通路，以檢測和校準(zhǔn)任何誤差。傳感器根據(jù)諸如伺服電動機(jī)、流量閥或溫度檢測單元等的物理參數(shù)監(jiān)視輸出。然后傳感器將數(shù)據(jù)饋送回控制器，而控制器則利用這個信息決定是否需要校正。

　　DAC 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 是位于閉環(huán)系統(tǒng)核心的關(guān)鍵組件。DAC 用在前饋通路中以調(diào)節(jié)系統(tǒng)，ADC 用在反饋通路中，以監(jiān)視這些調(diào)節(jié)的效果。它們一起施加和檢測模擬控制信號，以真實(shí)地調(diào)節(jié)它們控制的參數(shù)。

　　電動機(jī)控制是這類閉環(huán)系統(tǒng)的一個例子，如圖 1 中詳細(xì)說明的那樣。首先，將一個想要的輸出 (設(shè)定點(diǎn)) 加到控制器上，控制器對這個輸出和反饋信號進(jìn)行比較。如果需要校正，那么控制器會調(diào)節(jié) DAC 的輸入編碼，然后 DAC 在其輸出端產(chǎn)生一個模擬電壓。該 DAC 的輸出電壓通過一個功率放大器放大，以給電動機(jī)提供所需的驅(qū)動電流。

　　在這個閉環(huán)系統(tǒng)的下一級，用一個轉(zhuǎn)速計(jì)測量電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。旋轉(zhuǎn)信號是該閉環(huán)系統(tǒng)的實(shí)際輸出或可變過程。ADC 將該轉(zhuǎn)速計(jì)的輸出數(shù)字化，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制器，在控制器中，由算法決定是否需要在 DAC 輸出以及最終的電動機(jī)上進(jìn)行任何校正。采用這種方式，誤差被降到可接受的水平。理想情況下，反饋允許閉環(huán)系統(tǒng)消除所有誤差，從而有效地限制噪聲、溫度、外力或其他不想要的信號等任何誤差來源的影響。

　　閉環(huán)系統(tǒng)的性能取決于準(zhǔn)確的反饋通路，包括傳感器和 ADC。本質(zhì)上，反饋通路補(bǔ)償了前饋通路的誤差。因?yàn)?DAC 在前饋通路中，其積分非線性 (INL) 誤差就自動得到了補(bǔ)償。INL 誤差是 DAC 輸出端實(shí)際的傳遞函數(shù)與理想傳遞函數(shù)之間的偏差。不過，DAC 必須有良好的差分非線性 (DNL)，并且必須相對于數(shù)據(jù)表中規(guī)定的位數(shù)呈單調(diào)性。DNL 誤差是 DAC 模擬輸出端的實(shí)際電壓變化與理想電壓步進(jìn) (等于 DAC 輸入編碼中 1 個最低有效位 (LSB) 步進(jìn)) 之差。單調(diào)的 DAC 意味著，模擬輸出始終隨著數(shù)字編碼的提高而提高或保持與其相同 (反之亦然)。始終大于 -1LSB 的 DNL 規(guī)格意味著單調(diào)性。圖 2 顯示 DAC 模擬輸出電壓相對于 DAC 輸入編碼的傳遞函數(shù)。

　　如果 DAC 不是單調(diào)的，那么會存在一個負(fù)反饋?zhàn)兂烧答伒膮^(qū)域。這可能導(dǎo)致振蕩，而振蕩最終可能毀壞電動機(jī)。

　　圖 1：閉環(huán)系統(tǒng)舉例

　　圖 2：DNL 傳遞函數(shù)

　　開環(huán)系統(tǒng)

　　開環(huán)系統(tǒng)沒有反饋通路。這意味著，系統(tǒng)自身必須是準(zhǔn)確的。開環(huán)控制對于良好定義的系統(tǒng)是有用的，在這類系統(tǒng)中，輸入編碼及其在負(fù)載上所導(dǎo)致行動之間的關(guān)系是已知的。如果負(fù)載不是非?？深A(yù)測的，那么最好使用閉環(huán)控制。

　　開環(huán)系統(tǒng)的一個例子如圖3所示。在這個例子中，DAC 驅(qū)動凌力爾特穩(wěn)壓器 LT3080 的 SET 電壓引腳。SET 引腳是誤差放大器的輸入和輸出電壓的調(diào)節(jié)設(shè)定點(diǎn)。LT3080 的輸出電壓范圍為 0V 至絕對最大額定輸出電壓。

　　DAC 的分辨率決定 SET 引腳調(diào)節(jié)的步進(jìn)大小。例如，一個具有 5V 基準(zhǔn)的 8 位 DAC 有 5V / 28 = 19.5mV 的 LSB。一個具有同樣 5V 基準(zhǔn)的 12 位 DAC 有 1.2mV 的 LSB，一個 16 位 DAC 有 76μV 的 LSB。這意味著，就一個理想 DAC 而言，數(shù)字編碼每增大一次，模擬輸出都應(yīng)該增加 76μV。

　　開環(huán)系統(tǒng)中的其他重要參數(shù)包括偏移、增益誤差、基準(zhǔn)電壓誤差以及這些參數(shù)隨時間和溫度變化的穩(wěn)定性。INL 尤其重要，因?yàn)榕c閉環(huán)系統(tǒng)相比，DAC 的 INL 對系統(tǒng)的總體線性度有直接影響。

　　圖 3：開環(huán)系統(tǒng)舉例