高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的技巧

電路功能與優(yōu)勢

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。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

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。

對于2.5 V基準(zhǔn)電壓，上述公式可簡化為下式：

因此，中間電平碼對應(yīng)的VOUT 為1.25 V，滿量程碼對應(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)部斬波頻率相對較高(15 kHz)，因此在儀器儀表和過程控制應(yīng)用中，可簡化對濾波器的有效、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