DAC應用指南

引言

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)有著很廣泛的應用，作為數(shù)字域和模擬域的溝通橋梁，DAC在許多重要場合中都非常有用。有個問題常被問及： “既然技術的發(fā)展已經(jīng)進入數(shù)字時代，DAC是否將從電子世界中消失呢?”答案是不會!盡管IC制造商每年都會將更多的特性集成到處理器或FPGA中，但總還會有一些接口類的應用需求。在全新的3.3v數(shù)字世界中，要處理不穩(wěn)定的和動態(tài)模擬信號并不容易，所以DAC在電子行業(yè)中將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

盡管沒有詳盡的應用列表，表1還是給出了許多常見的應用，介紹DAC在系統(tǒng)內(nèi)的典型功用。在一些應用中，DAC的功能相對比較明了，但在校準等其他應用中就沒有那么明顯了。本文中，我們將回顧一些具體應用：如cD唱機中的音頻DAC，校準和電機控制。

音頻DAC-消費類CD播放器

DAC在消費音頻產(chǎn)品中扮演了重要的角色，隨著半導體制造商將更多特性集成到高價值產(chǎn)品中，專業(yè)音頻DAC數(shù)量實現(xiàn)了連年增長。圖l給出了用在消費類cD播放器中的高分辨率DAC。

圖1中的第一個模塊代表了光學讀頭。這個模塊含有激光二極管、反射鏡和聚焦透鏡，還有一個光電探測器將反射光轉(zhuǎn)換為電信號。第二個模塊包括調(diào)理電路、采樣電路和一個音頻DSP，或者一個定制的專用集成電路(ASIC)。在該應用中，CD播放器將播放各種音頻信號，從搖滾樂到線性度極好、失真度和噪聲都極低的古典交響樂。就DAC而言，其分辨率通常很高(24位或更高)。另外，如果是一個音頻DAC，針對于音頻應用，它還有其他一些特點和具體的性能特性。大多數(shù)cD唱機都要用到外部低通濾波器(LPF)或緩沖電路。本應用的最終目標是產(chǎn)生最優(yōu)質(zhì)的聲音：在整個音頻頻譜內(nèi)，其失真度和噪聲都很低。

校準

無論是用于ADc電路的簡單調(diào)理電路或者高度復雜的工業(yè)和工廠系統(tǒng)，DAC在校準任務中都非常有用。根據(jù)校準要求，可能需要對一系列參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整以確保結(jié)果的一致性，比如電壓偏置、增益調(diào)整或電流偏置。每年，工廠生產(chǎn)都變得更加自動化。但不管自動化水平如何，對電路的正確校準都會越來越重要。通常需要一種方式來快速探測系統(tǒng)輸出錯誤，然后通過在流動過程起點引入“修正”而對其進行處理。由于“修正”在本質(zhì)上屬于模擬域內(nèi)操作，所以在許多應用中DAC均是該任務的理想選擇。

圖2示意了一類需要特殊校準的應用，這是一個壓力傳感系統(tǒng)。電路從傳感器中獲得一個低電平電壓信號，將其饋入ADC／處理器用于顯示或進一步動作。圖中的橋式傳感器從壓力傳感器處接收信號，并由此產(chǎn)生相應的輸出電壓。總之，傳感器／電橋功能作為一個壓力橋傳感器。由于小信號的緣故，要使用一個儀表放大器(In Amp)將小差分信號放大。根據(jù)信號強度，可以為其提供增益，確保對于ADc的輸入而言，信號是滿刻度的。儀表放大器還可以緩沖送往ADC的信號，該ADc將對信號進行采樣，而后將數(shù)據(jù)編碼送到微控制器或FPGA中。

對于許多用戶來說更重要的是，壓力傳感系統(tǒng)在眾多情況下會需要較高精度和更高準確性。這些情況包括溫度的改變和變化的全盤寄生誤差，甚至是多種不同器件的容差等。多數(shù)情況下，產(chǎn)品外部引入的整體誤差會變得很大。在該應用中，用一對DAC對增益誤差和傳感器偏置進行動態(tài)“校準”或修正。如圖2所示，DAC增益調(diào)節(jié)和DAC傳感器偏置這兩部分會接收數(shù)據(jù)編碼，微控制器借助代碼進行適當?shù)匦拚?使用查找表或內(nèi)部軟件比較程序)可以很容易地對微控制器進行編程，將合適的校準數(shù)據(jù)送至DAC。模擬電壓從DAC流經(jīng)另外一對儀表放大器，進行預除和緩存處理。用于偏置和增益校準的信號之后送往主要的儀表放大器非反相輸入端。

文童最后給出了簡略原理圖的超鏈接。該示意圖并不涵蓋設計的所有方面，如電源、旁路和電壓參考電路等。但它向讀者示意了如何用DAC和儀表放大器對傳感器電路進行動態(tài)校準。DAC型號為DACl22S085，它是一個雙通道的12位DAC。DAC通過SPI接口將微控制器的數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換，并將電壓信號傳遞至儀表放大器校準電路上。

查看原理圖時需要考胤MP7702和LMP2016運算放大器的選項，它們的組合可構成儀表放大器。根據(jù)具體的應用要求，也可以使用一個集成式儀表放大器。LMP8358就是一個集成式儀表放大器(http：//www.national，com／pf／LM／LMP8358.htral)。

即使是最好的軌至軌輸出放大器，在單電源下工作時也不能輸出0v電壓。這會導致誤差積累，因為放大器的輸出飽和電壓會在接下來的放大級中被放大。一種緩解方法是引入一個很小的負電源電壓，防止放大器輸出在OV時達到飽和，有利于精確維持ovTR平。另一個好處就是它可以充分使用ADC的全部輸入范圍。在原理圖中，我們給電路中的每個儀表放大器均添加了一個，0.23V的微小負電壓。使用的是LM7705負偏置發(fā)生器。

電機控制

盡管本文無法對眾多電機類型進行全面總結(jié)，但是了解一些目前最常用的電機類型還是很重要的。主要類型包括：直流電機(有刷、無刷)、交流電機(同步式、感應式)、靜電電機，以及其他變化類型。雖然一些電機應用中不需要閉環(huán)控制，其他大部分還是需要的。這些控制通常是通過控制器、DAC、電機驅(qū)動器和包含傳感器所測數(shù)據(jù)的反饋回路來實現(xiàn)的。

最流行的電機之一是直流無刷電機(BLDC)。相對于直流有刷電機，它有一些很明顯的優(yōu)勢，包括效率更高、機械磨損更低以及服務和維護成本更低。直流無刷電機本身還可細分為步進和磁阻電機等類型。在消贊產(chǎn)品、工業(yè)和工廠系統(tǒng)、機器人技術、工具和其他應用中，直流無刷電機的使用已相當普遍。直流電機通常與可變磁阻傳感器(vRS)或霍耳效應傳感器一起使用，用來測量電機的位置和速度。在最新的直流電機中，傳感器電子產(chǎn)品可以集成到電機的整體設計中。圖3顯示了一種使用DAC來構建直流電機控制系統(tǒng)的方法。

如前所述，在電機控制應用中，DAC用微控制器或?qū)I(yè)控制器IC來驅(qū)動。這種情況下，DAC將通過一個并行接口接收輸入數(shù)據(jù)編碼，之后把數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換為電流輸出。所示電機驅(qū)動器電路可以通過多種方式實現(xiàn)。盡管有專用的集成Ic，但也可以使用簡單的功率運算放大器進行設計，比如LM67s。驅(qū)動器電路的結(jié)構依賴于直流電機的具體要求，比如總功率、連續(xù)和最大電流以及其他要求中的電壓范圍等。在運行中，電機／編碼器將速度和位置信號送到微控制器。根據(jù)編碼器，這些信號可能也會包含索引脈沖信號。微控制器之后會通過送到DAC的數(shù)據(jù)編碼來調(diào)節(jié)電機的速度和方向。在這一點上，DAC在“閉合控制回路”中發(fā)揮作用。如您所見，DAC在電機控制應用中起著非常關鍵的作用，越來越多的制造商將DAC功能集成到他們的電機驅(qū)動器Ic中以提高產(chǎn)品價值，從這一點就可以看出DAC的重要性。

結(jié)論

DAC就像ADc和運算放大器一樣，在許多應用中起著關鍵作用。如果將運算放大器視為混合信號器件之間的“膠水”。那么可以這么說：信號回路中的三個核心器件是運算放大器、ADC和DAC。不論是從模擬域到數(shù)字域還是從數(shù)字域到模擬域，DAC都可視作電路的終點，完成任務的信號將返回其模擬起點。DAC在許多應用中都將繼續(xù)發(fā)揮關鍵作用，包括一些未曾預見的應用!設計工程師若想了解更多關于DAC這個有趣器件的知識，參考文獻[1—5]可以幫您繼續(xù)深入學習。