數(shù)模轉換器構成開環(huán)、閉環(huán)和“設定后便不需再過問

當選擇數(shù)模轉換器 (DAC) 時，設計師可以從種類繁多的 IC 中選擇。DAC 可以針對具體的應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。 本文專注于低速應用所需的 DAC，而無論該應用是低分辨率還是高分辨率、是粗略調節(jié)還是精細調節(jié)。

就選擇低速 DAC 而言，決定設計是閉環(huán)、開環(huán)或“設定后便不需再過問”的系統(tǒng)是很重要。每一種設計都需要一個具某些關鍵性能規(guī)格的 DAC。

閉環(huán)系統(tǒng)包括一條反饋通路，以檢測和校準任何誤差。傳感器根據(jù)諸如伺服電動機、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)轉換器 (ADC) 是位于閉環(huán)系統(tǒng)核心的關鍵組件。DAC 用在前饋通路中以調節(jié)系統(tǒng)，ADC 用在反饋通路中，以監(jiān)視這些調節(jié)的效果。它們一起施加和檢測模擬控制信號，以真實地調節(jié)它們控制的參數(shù)。

電動機控制是這類閉環(huán)系統(tǒng)的一個例子，如圖 1 中詳細說明的那樣。首先，將一個想要的輸出 (設定點) 加到控制器上，控制器對這個輸出和反饋信號進行比較。如果需要校正，那么控制器會調節(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，以給電動機提供所需的驅動電流。

在這個閉環(huán)系統(tǒng)的下一級，用一個轉速計測量電動機的旋轉速度。旋轉信號是該閉環(huán)系統(tǒng)的實際輸出或可變過程。ADC 將該轉速計的輸出數(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上進行任何校正。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)的性能取決于準確的反饋通路，包括傳感器和 ADC。本質上，反饋通路補償了前饋通路的誤差。因為 DAC 在前饋通路中，其積分非線性 (INL) 誤差就自動得到了補償。INL 誤差是 DAC 輸出端實際的傳遞函數(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)呈單調性。DNL 誤差是 DAC 模擬輸出端的實際電壓變化與理想電壓步進 (等于 DAC 輸入編碼中 1 個最低有效位 (LSB) 步進) 之差。單調的 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 不是單調的，那么會存在一個負反饋變成正反饋的區(qū)域。這可能導致振蕩，而振蕩最終可能毀壞電動機。

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，輸入編碼及其在負載上所導致行動之間的關系是已知的。如果負載不是非常可預測的，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節(jié)設定點。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 引腳調節(jié)的步進大小。例如，一個具有 5V 基準的 8 位 DAC 有 5V / 28 = 19.5mV 的 LSB。一個具有同樣 5V 基準的 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，因為與閉環(huán)系統(tǒng)相比，DAC 的 INL 對系統(tǒng)的總體線性度有直接影響。

DAC 線性度起到重要作用的第三種應用是“設定后便不需再過問”的系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，調節(jié)或校準只進行一次，也許在制造時或安裝時。因此，這類系統(tǒng)一開始是一 種閉環(huán)系統(tǒng)，然后又變成開環(huán)的。所以，與初始準確度 (偏移、增益誤差、INL) 有關的任何參數(shù)都不關鍵，因為這些參數(shù)在調節(jié)時都得到了補償。但是一旦反饋去掉，穩(wěn)定性就變得很關鍵了。表明穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)表性能規(guī)格包括：增益誤差漂移、 失調和基準漂移。