數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成開環(huán)、閉環(huán)和“設(shè)定后便不需再過問”系統(tǒng)的核心
2011-01-11
作者：凌力爾特公司 Mark Thoren
當(dāng)選擇數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 時(shí)，設(shè)計(jì)師可以從種類繁多的 IC 中選擇。DAC 可以針對(duì)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(jiǎn)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(gè)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(cè)和校準(zhǔn)任何誤差。傳感器根據(jù)諸如伺服電動(dòng)機(jī)、流量閥或溫度檢測(cè)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(gè)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(cè)模擬控制信號(hào)，以真實(shí)地調(diào)節(jié)它們控制的參數(shù)。
電動(dòng)機(jī)控制是這類閉環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)例子，如圖 1 中詳細(xì)說明的那樣。首先，將一個(gè)想要的輸出 (設(shè)定點(diǎn)) 加到控制器上，控制器對(duì)這個(gè)輸出和反饋信號(hào)進(jìn)行比較。如果需要校正，那么控制器會(huì)調(diào)節(jié) DAC 的輸入編碼，然后 DAC 在其輸出端產(chǎn)生一個(gè)模擬電壓。該 DAC 的輸出電壓通過一個(gè)功率放大器放大，以給電動(dòng)機(jī)提供所需的驅(qū)動(dòng)電流。
在這個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的下一級(jí)，用一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。旋轉(zhuǎn)信號(hào)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(dòng)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(hào)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(dòng)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(duì)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(gè)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(duì)于 DAC 輸入編碼的傳遞函數(shù)。
如果 DAC 不是單調(diào)的，那么會(huì)存在一個(gè)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(dòng)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(duì)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(dòng)之間的關(guān)系是已知的。如果負(fù)載不是非?？深A(yù)測(cè)的，那么最好使用閉環(huán)控制。
開環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)例子如圖3所示。在這個(gè)例子中，DAC 驅(qū)動(dòng)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(duì)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(gè)具有 5V 基準(zhǔn)的 8 位 DAC 有 5V / 28 = 19.5mV 的 LSB。一個(gè)具有同樣 5V 基準(zhǔn)的 12 位 DAC 有 1.2mV 的 LSB，一個(gè) 16 位 DAC 有 76µV 的 LSB。這意味著，就一個(gè)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(shí)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(duì)系統(tǒng)的總體線性度有直接影響。
圖 3：開環(huán)系統(tǒng)舉例
“設(shè)定后便不需再過問”的系統(tǒng)
DAC 線性度起到重要作用的第三種應(yīng)用是“設(shè)定后便不需再過問”的系統(tǒng)。在這類系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)或校準(zhǔn)只進(jìn)行一次，也許在制造時(shí)或安裝時(shí)。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(zhǔn)確度 (偏移、增益誤差、INL) 有關(guān)的任何參數(shù)都不關(guān)鍵，因?yàn)檫@些參數(shù)在調(diào)節(jié)時(shí)都得到了補(bǔ)償。但是一旦反饋去掉，穩(wěn)定性就變得很關(guān)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(diào)和基準(zhǔn)漂移。
圖 4 顯示一個(gè)“設(shè)定后便不需再過問”的應(yīng)用例子。在這張圖中，一個(gè)較低分辨率的 DAC 驅(qū)動(dòng)一個(gè)可編程增益放大器，該放大器設(shè)定精準(zhǔn) DAC 偏移調(diào)節(jié)引腳上的電壓。在初始系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，該較低分辨率 DAC 用來有效地校準(zhǔn)精準(zhǔn) DAC 的增益偏移。這個(gè)調(diào)節(jié)代碼可以存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，并在系統(tǒng)每次加電時(shí)裝載。
圖 4：“設(shè)定后便不需再過問”的系統(tǒng)舉例
進(jìn)一步了解 DAC DC 性能規(guī)格
一旦決定了閉環(huán)、開環(huán)或“設(shè)定后便不需再過問”系統(tǒng)的類型，就該選擇最好的 DAC 了。正如之前提到的那樣，有些應(yīng)用需要粗略調(diào)節(jié)，這意味著系統(tǒng)僅需要有限數(shù)量的可變?cè)O(shè)置。在這種情況下，8 位或 10 位分辨率的 DAC 一般就足夠了。就需要更精細(xì)控制的系統(tǒng)而言，12 位 DAC 可以提供足夠的分辨率。在今天的市場(chǎng)上，16 位和 18 位 DAC 提供最精細(xì)的每 LSB 分辨率。
LTC2600 是一種 16 位 8 通道 DAC，是為閉環(huán)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的?？匆幌滤?DC 性能規(guī)格會(huì)發(fā)現(xiàn)這是很明顯的。典型的 INL 是 ±12LSB，最大值為 ±64LSB。典型的 INL 隨輸入代碼的變化曲線在圖 5 的下部顯示了這些性能規(guī)格。16 位單調(diào)性和 ±1LSB DNL 誤差允許在前饋通路中進(jìn)行精準(zhǔn)控制。正如前面提到的那樣，前饋誤差對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)來說不重要，只要該 DAC 是單調(diào)的就行。
相反，新的 LTC2656 是一種 8 通道 DAC，所有 8 個(gè) DAC 都提供 16 位單調(diào)性和卓越的 ±4LSB INL 誤差，從而使該器件可能同時(shí)適合開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)。LTC2656 封裝中所有 8 個(gè) DAC 的典型 INL 隨代碼變化的曲線如圖 5 所示。在 16 位 8 通道 DAC 類別中，LTC2656 提供最佳 INL。
單個(gè)封裝中的 8 個(gè) DAC 都實(shí)現(xiàn)高線性度不是一個(gè)容易的設(shè)計(jì)任務(wù)。封裝壓力和電壓隨溫度的漂移都必須在設(shè)計(jì)中考慮到。單個(gè) DAC 實(shí)現(xiàn)較嚴(yán)格的 INL 性能規(guī)格會(huì)容易得多。例如，凌力爾特公司提供的 LTC2641 是一種單 16 位 DAC，該器件提供 ±1LSB INL 和 DNL 的最高 DC 性能規(guī)格。
除了 INL 和 DNL，其他要考慮的重要 DC 性能規(guī)格是偏移誤差 (或零標(biāo)度誤差) 和增益誤差 (滿標(biāo)度誤差)。偏移誤差表示，在 (或接近) 零標(biāo)度輸入編碼時(shí)，實(shí)際傳遞函數(shù)與理想傳遞函數(shù)的匹配程度。就需要直到地的精準(zhǔn)控制應(yīng)用而言，偏移誤差是非常重要的。LTC2656 提供非常低的 ±2mV 最大偏移誤差。
增益誤差表示實(shí)際傳遞函數(shù)斜率與理想傳遞函數(shù)斜率的匹配程度。增益誤差和滿標(biāo)度誤差有時(shí)可互換使用，但是滿標(biāo)度誤差同時(shí)包括增益誤差和偏移誤 差。LTC2656 提供 ±64LSB 的最大增益誤差，這等于滿標(biāo)度的0.098% (64/65536)，是一個(gè)非常小的最大增益誤差。
具有非常好的偏移和增益誤差的 DAC 可能允許系統(tǒng)不必運(yùn)行控制器或 FPGA 中軟件的校準(zhǔn)周期。一個(gè)隨時(shí)間和溫度變化漂移非常小的 DAC 還使設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，因?yàn)橄到y(tǒng)工程師不需要經(jīng)常校準(zhǔn)。
圖 5：LTC2656 與 LTC2600 的比較
圖 6：LTC2656 方框圖
±10V 輸出的 DACs
之前提到的 DAC 用于單電源或單極性 0V 至 5V 系統(tǒng)。不過，有些閉環(huán)、開環(huán)或“設(shè)定后便不需再過問”的系統(tǒng)需要 ±10V DAC。就這些高壓系統(tǒng)而言，設(shè)計(jì)師既可以用具可編程增益放大器的單極性 0V 至 5V DAC來執(zhí)行增益和電平移動(dòng)，或者也可以由 DAC 直接提供 ±10V 的信號(hào)。
凌力爾特公司提供單、雙和四通道 DAC 供客戶選擇，這些 DAC 提供高達(dá) ±10V 的輸出電壓。LTC1592 是單通道 16 位 DAC 的一個(gè)例子，該器件提供兩個(gè)單極性和 4 個(gè)雙極性可由軟件編程設(shè)定的輸出電壓范圍，包括 0V 至 5V、0V 至 10V、±2.5V、±5V、±10V 和 -2.5V 至 7.5V。因此，同一個(gè) DAC 既可以用于單極性系統(tǒng)也可以用于雙極性系統(tǒng)，而無需徹底地重新設(shè)定控制器。例如，將 DAC 輸出范圍從 0V 至 5V 改變到 ±10V，僅需要改變至 DAC 串行位流中的兩個(gè)位。
結(jié)論
DAC是開環(huán)、閉環(huán)或“設(shè)定后便不需再過問”系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。這類系統(tǒng)每一種都需要 DAC 提供不同級(jí)別的準(zhǔn)確度和分辨率。在特定分辨率時(shí)，總是有一些因素需要權(quán)衡，如價(jià)格、封裝大小、基準(zhǔn)準(zhǔn)確度和輸出阻抗。就最高精確度的系統(tǒng)而言，選擇 DAC 時(shí)很重要的是不僅要考慮數(shù)據(jù)表第一頁(yè)上提供的位數(shù)是多少，還要考慮 INL、DNL、偏移誤差、增益誤差等 DC 性能規(guī)格保證有多高的準(zhǔn)確度。
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