盡管數(shù)字設(shè)備很受歡迎，但現(xiàn)實(shí)世界的信號通常由模擬信號表示。數(shù)字控制系統(tǒng)通過使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號來處理模擬信號。轉(zhuǎn)換回模擬信號是使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）完成的。Maxim提供8位至16位的完整精密DAC系列。找到滿足應(yīng)用要求的DAC非常重要。設(shè)計(jì)工程師在選擇DAC時(shí)需要考慮線性度、分辨率、速度和精度等參數(shù)。

盡管數(shù)字電子產(chǎn)品被廣泛使用，但現(xiàn)實(shí)世界仍然是模擬的。因此，在系統(tǒng)的數(shù)字和模擬部分之間的接觸點(diǎn)需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。以下討論涵蓋了選擇DAC時(shí)應(yīng)考慮的重要參數(shù)。它還突出了設(shè)備中可用的一些有趣功能。

大多數(shù)電子設(shè)備現(xiàn)在都包括數(shù)字控制電路，但仍需要模擬值來控制閥門、揚(yáng)聲器和其他執(zhí)行器。從數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換通常在專用的D/A轉(zhuǎn)換器內(nèi)完成。該DAC可以根據(jù)轉(zhuǎn)換要求和系統(tǒng)設(shè)置從大量可用的標(biāo)準(zhǔn)電路中選擇。

分辨率

在選擇DAC時(shí)，第一步是確定必要的分辨率N，其中2N× LSB（最低有效位）等于最大模擬輸出。Maxim為DAC提供多種產(chǎn)品，其分辨率范圍為8位至16位（256步至65，536步）。但是，分辨率不會(huì)指示準(zhǔn)確性，因?yàn)楸仨毧紤]其他誤差源。

下一個(gè)感興趣的參數(shù)是積分非線性（INL），它描述了DAC傳遞函數(shù)與直線的偏差。對于DAC，每一步都要測量該偏差（圖1a）。直線可以是實(shí)際傳遞函數(shù)的最佳近似值，也可以是在傳遞函數(shù)端點(diǎn)之間繪制的直線（減去增益和失調(diào)誤差后）。雖然低成本器件將此參數(shù)指定為高達(dá) ±16 LSB，但通?？梢酝ㄟ^在操作軟件中使用校正系數(shù)來改進(jìn)。對于高端DAC，INL值優(yōu)于±1 LSB。

微分非線性（DNL）是實(shí)際步進(jìn)高度與1 LSB理想值之間的差值。DNL的目標(biāo)值（大于-1 LSB）確保DAC是單調(diào)的。這意味著不會(huì)丟失任何數(shù)據(jù)，因?yàn)檩敵隹偸请S著數(shù)字輸入的變化而變化;它響應(yīng)數(shù)字增量而增加，并響應(yīng)數(shù)字減少而減少。圖1b根據(jù)傳遞函數(shù)定義了DNL。

實(shí)際輸出與理想值的偏差如圖1c所示。對于DAC，當(dāng)數(shù)字輸入為零時(shí)，失調(diào)誤差等于輸出電壓。該誤差對于所有輸入值都保持不變，通?？梢酝ㄟ^校準(zhǔn)電路來補(bǔ)償。失調(diào)誤差通常指定為以毫伏為單位的絕對值，而不是LSB。 （以LSB為單位的失調(diào)誤差取決于輸出步進(jìn)高度，而輸出步進(jìn)高度又取決于基準(zhǔn)電壓電平?？山邮艿氖д{(diào)誤差通常小于±10mV。

增益誤差是理想最大輸出電壓與減去失調(diào)誤差后傳遞函數(shù)的實(shí)際最大值之差（圖 1d）。由于增益誤差會(huì)改變傳遞函數(shù)的斜率，因此它為每個(gè)步驟提供相同的百分比誤差。增益誤差以LSB或毫伏表示，以最大值的百分比表示。

圖1.這些圖表定義了DAC的主要性能參數(shù)：（a）積分非線性，（b）差分非線性，（c）失調(diào)誤差和（d）增益誤差。

動(dòng)態(tài)輸出特性

理想的DAC在將數(shù)字值施加到輸入后立即提供其模擬輸出。然而，實(shí)際DAC的建立時(shí)間由內(nèi)部傳播延遲和輸出驅(qū)動(dòng)器中的有限壓擺率組成。建立時(shí)間從轉(zhuǎn)換開始開始，在DAC輸出穩(wěn)定時(shí)結(jié)束，并包括任何靜態(tài)誤差。

一種稱為“數(shù)字饋通”的噪聲可以在DAC的輸出端測量。輸入端的每個(gè)數(shù)字轉(zhuǎn)換都耦合到輸出端。雖然是由DAC本身引起的，但接地和電路板布局不當(dāng)會(huì)加劇這種影響。

數(shù)據(jù)接口

以前，使用最廣泛的數(shù)據(jù)接口是并行類型。它仍然具有快速傳輸和簡單數(shù)據(jù)協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。Maxim提供各種具有并行接口的DAC，例如具有片內(nèi)精密輸出的7839位電壓輸出DACMX13。

與并行接口相比，串行接口的引腳數(shù)較少，需要更少的電路板空間，并允許采用更小的封裝。兩種主要的串行接口協(xié)議是SPI?和I2C。SPI支持全雙工通信，吞吐量高于I2C。此外，SPI接口不需要上拉電阻，從而降低了功耗。但是，I2C接口所需的引腳/線路更少。Maxim提供各種具有SPI或I2C接口的DAC。例如，MAX5812為12位、低功耗電壓輸出DAC，具有I2C兼容的2線串行接口。MAX5214為14位、低功耗、緩沖單DAC，具有3線SPI接口。

參考電壓

在很大程度上，DAC的特性由其基準(zhǔn)電壓決定，無論是在DAC內(nèi)部產(chǎn)生還是在外部施加。一、基準(zhǔn)電壓（V裁判） 設(shè)置DAC的最大輸出電壓，如果輸出信號未被額外的輸出級放大。V裁判還定義了輸出響應(yīng)輸入端的1 LSB躍遷而變化的電壓階躍。一步等于 V裁判/2N，其中 N 是 DAC 分辨率。

在恒定溫度下，基準(zhǔn)電壓源的輸出電壓在其初始精度指定的范圍內(nèi)變化。對于溫度變化，輸出電壓漂移直接影響DAC的質(zhì)量（表1）。

表 1.允許溫度范圍，最大漂移為 ±1 LSB（采用 2.5V 基準(zhǔn)電壓源）

表1顯示，DAC的基準(zhǔn)電壓源漂移要求最小。集成基準(zhǔn)電壓源通常為100ppm/°C，因此僅適用于有限的溫度范圍。一個(gè)例外是12位/13位MAX5122/

MAX5132

，其集成的精密基準(zhǔn)規(guī)定最大漂移為10ppm/°C （3ppm/°C，典型值）。

連接外部基準(zhǔn)電壓源時(shí)，不僅應(yīng)考慮DAC基準(zhǔn)輸入所需的電流和電壓范圍，還應(yīng)考慮DAC內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的任何動(dòng)態(tài)效應(yīng)。隨著施加數(shù)字值的變化，基準(zhǔn)輸入電阻也會(huì)發(fā)生變化。因此，所選基準(zhǔn)電壓源必須能夠在所需時(shí)間內(nèi)遵循每個(gè)負(fù)載步驟，或者必須添加旁路電容或運(yùn)算放大器緩沖器。

帶有外部基準(zhǔn)輸入的DAC（如MAX5170）也可以工作在乘法模式。對基準(zhǔn)輸入施加可變電壓（而不是恒定電壓）（圖 2）?？勺冸妷号c調(diào)整后的數(shù)字輸入值相乘并傳輸?shù)捷敵龆?，產(chǎn)生精確的數(shù)字電位計(jì)效果。對于這種工作模式，應(yīng)考慮DAC的帶寬和電壓范圍，以及基準(zhǔn)輸入的動(dòng)態(tài)特性。這些特性包括從基準(zhǔn)輸入到輸出的電壓饋通，數(shù)字值為零。

圖2.乘法DAC產(chǎn)生數(shù)字輸入和交流基準(zhǔn)信號的乘積。

輸出級

DAC的輸出級可以設(shè)計(jì)為提供電壓或電流輸出，但更簡單的電壓輸出具有更大的市場份額。一些Maxim器件提供固定增益的電壓輸出或非專用放大器作為選項(xiàng)，即所謂的“力檢測”輸出。這種布置允許您使用兩個(gè)外部電阻設(shè)置單獨(dú)的增益（圖 3a）。力檢測電壓輸出還可以實(shí)現(xiàn)電流輸出（圖 3b）。

圖3.一個(gè)非專用輸出運(yùn)算放大器提供“力檢測”輸出（a）。運(yùn)算放大器配置如（b）所示，為DAC提供電流輸出。

MAX5120和MAX5170系列提供特殊的上電特性，稱為“毛刺預(yù)防”。如果沒有此功能，DAC輸出在上電時(shí)僅跟隨電源電壓，直到集成電路開始工作。該動(dòng)作會(huì)以高達(dá)3V高的脈沖破壞輸出，從而導(dǎo)致以下電路出現(xiàn)故障。MAX5120/MAX5170器件抑制該脈沖。它們還提供上電復(fù)位，用于清除所有DAC寄存器。這種復(fù)位可以調(diào)整為0V或最大輸出電壓（中檔）的一半時(shí)上電，這是雙極性輸出級所要求的。

大多數(shù)現(xiàn)代設(shè)備都采用單極性電源供電，但如果添加外部雙極性放大器并將最大輸出電壓的中間范圍定義為零，它們可以提供雙極性輸出信號。12位MAX5322等器件采用雙極性電源供電，直接提供雙極性輸出電壓。作為DAC電源的另一個(gè)考慮因素，應(yīng)注意，如果數(shù)字輸入電壓比電源電壓高0.3V，則可能發(fā)生閂鎖。特別是，上電或關(guān)斷時(shí)不應(yīng)將數(shù)據(jù)信號施加到DAC輸入。肖特基二極管可針對此問題提供保護(hù)（圖 4）。

圖4.肖特基二極管在上電或斷電時(shí)提供閂鎖效應(yīng)保護(hù)。

審核編輯：郭婷