引言

數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)有著很廣泛的應(yīng)用，作為數(shù)字域和模擬域的溝通橋梁，DAC在許多重要場(chǎng)合中都非常有用。有個(gè)問(wèn)題常被問(wèn)及：“既然技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字時(shí)代，DAC是否將從電子世界中消失呢?”答案是不會(huì)!盡管IC制造商每年都會(huì)將更多的特性集成到處理器或FPGA中，但總還會(huì)有一些接口類的應(yīng)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(dòng)態(tài)模擬信號(hào)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(méi)有詳盡的應(yīng)用列表，表1還是給出了許多常見(jiàn)的應(yīng)用，介紹DAC在系統(tǒng)內(nèi)的典型功用。在一些應(yīng)用中，DAC的功能相對(duì)比較明了，但在校準(zhǔn)等其他應(yīng)用中就沒(méi)有那么明顯

DAC應(yīng)用指南

DAC Applications Review Bill Mcculley 美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體了。本文中，我們將回顧一些具體應(yīng)用：如CD唱機(jī)中的音頻DAC，校準(zhǔn)和電機(jī)控制。

音頻DAC-消費(fèi)類CD播放器

DAC在消費(fèi)音頻產(chǎn)品中扮演了重要的角色，隨著半導(dǎo)體制造商將更多特性集成到高價(jià)值產(chǎn)品中，專業(yè)音頻DAC數(shù)量實(shí)現(xiàn)了連年增長(zhǎng)。圖1給出了用在消費(fèi)類CD播放器中的高分辨率DAC。

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

校準(zhǔn)

無(wú)論是用于ADC電路的簡(jiǎn)單調(diào)理電路或者高度復(fù)雜的工業(yè)和工廠系統(tǒng)，DAC在校準(zhǔn)任務(wù)中都非常有用。根據(jù)校準(zhǔn)要求，可能需要對(duì)一系列參數(shù)進(jìn)行動(dòng)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(dòng)化。但不管自動(dòng)化水平如何，對(duì)電路的正確校準(zhǔn)都會(huì)越來(lái)越重要。通常需要一種方式來(lái)快速探測(cè)系統(tǒng)輸出錯(cuò)誤，然后通過(guò)在流動(dòng)過(guò)程起點(diǎn)引入“修正”而對(duì)其進(jìn)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(yīng)用中DAC均是該任務(wù)的理想選擇 。

圖2示意了一類需要特殊校準(zhǔn)的應(yīng)用，這是一個(gè)壓力傳感系統(tǒng)。電路從傳感器中獲得一個(gè)低電平電壓信號(hào)，將其饋入ADC/處理器用于顯示或進(jìn)一步動(dòng)作。圖中的橋式傳感器從壓力傳感器處接收信號(hào)，并由此產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓?？傊?，傳感器/電橋功能作為一個(gè)壓力橋傳感器[1]。由于小信號(hào)的緣故，要使用一個(gè)儀表放大器(In Amp)將小差分信號(hào)放大。根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度，可以為其提供增益，確保對(duì)于ADC的輸入而言，信號(hào)是滿刻度的。儀表放大器還可以緩沖送往ADC的信號(hào)，該ADC將對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，而后將數(shù)據(jù)編碼送到微控制器或FPGA中。

對(duì)于許多用戶來(lái)說(shuō)更重要的是，壓力傳感系統(tǒng)在眾多情況下會(huì)需要較高精度和更高準(zhǔn)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(huì)變得很大。在該應(yīng)用中，用一對(duì)DAC對(duì)增益誤差和傳感器偏置進(jìn)行動(dòng)態(tài)“校準(zhǔn)”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(huì)接收數(shù)據(jù)編碼，微控制器借助代碼進(jìn)行適當(dāng)?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(duì)微控制器進(jìn)行編程，將合適的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)送至DAC。模擬電壓從DAC流經(jīng)另外一對(duì)儀表放大器，進(jìn)行預(yù)除和緩存處理。用于偏置和增益校準(zhǔn)的信號(hào)之后送往主要的儀表放大器非反相輸入端。

文章最后給出了簡(jiǎn)略原理圖的超鏈接[2]。該示意圖并不涵蓋設(shè)計(jì)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(duì)傳感器電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。DAC型號(hào)為DAC122S085，它是一個(gè)雙通道的12位DAC。DAC通過(guò)SPI接口將微控制器的數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換，并將電壓信號(hào)傳遞至儀表放大器校準(zhǔn)電路上。

查看原理圖時(shí)需要考慮LMP7702 和LMP2016運(yùn)算放大器的選項(xiàng)，它們的組合可構(gòu)成儀表放大器。根據(jù)具體的應(yīng)用要求，也可以使用一個(gè)集成式儀表放大器。LMP8358就是一個(gè)集成式儀表放大器。即使是最好的軌至軌輸出放大器，在單電源下工作時(shí)也不能輸出0V電壓。這會(huì)導(dǎo)致誤差積累，因?yàn)榉糯笃鞯妮敵鲲柡碗妷簳?huì)在接下來(lái)的放大級(jí)中被放大。一種緩解方法是引入一個(gè)很小的負(fù)電源電壓，防止放大器輸出在0V時(shí)達(dá)到飽和，有利于精確維持0V水平。另一個(gè)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(gè)儀表放大器均添加了一個(gè)-0.23V的微小負(fù)電壓，使用的是LM7705負(fù)偏置發(fā)生器。

電機(jī)控制

最流行的電機(jī)之一是直流無(wú)刷電機(jī)(BLDC)。相對(duì)于直流有刷電機(jī)，它有一些很明顯的優(yōu)勢(shì)，包括效率更高、機(jī)械磨損更低以及服務(wù)和維護(hù)成本更低。直流無(wú)刷電機(jī)本身還可細(xì)分為步進(jìn)和磁阻電機(jī)等類型。在消費(fèi)產(chǎn)品、工業(yè)和工廠系統(tǒng)、機(jī)器人技術(shù)、工具和其他應(yīng)用中，直流無(wú)刷電機(jī)的使用已相當(dāng)普遍。直流電機(jī)通常與可變磁阻傳感器(VRS)或霍耳效應(yīng)傳感器一起使用，用來(lái)測(cè)量電機(jī)的位置和速度。在最新的直流電機(jī)中，傳感器電子產(chǎn)品可以集成到電機(jī)的整體設(shè)計(jì)中。圖3顯示了一種使用DAC來(lái)構(gòu)建直流電機(jī)控制系統(tǒng)的方法。

如前所述，在電機(jī)控制應(yīng)用中，DAC用微控制器或?qū)I(yè)控制器IC來(lái)驅(qū)動(dòng)。這種情況下，DAC將通過(guò)一個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)器電路可以通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)。盡管有專用的集成IC，但也可以使用簡(jiǎn)單的功率運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如LM675。驅(qū)動(dòng)器電路的結(jié)構(gòu)依賴于直流電機(jī)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(yùn)行中，電機(jī)/編碼器將速度和位置信號(hào)送到微控制器。根據(jù)編碼器，這些信號(hào)可能也會(huì)包含索引脈沖信號(hào)。微控制器之后會(huì)通過(guò)送到DAC的數(shù)據(jù)編碼來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和方向。在這一點(diǎn)上，DAC在“閉合控制回路”中發(fā)揮作用。如您所見(jiàn)，DAC在電機(jī)控制應(yīng)用中起著非常關(guān)鍵的作用，越來(lái)越多的制造商將DAC功能集成到他們的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器IC中以提高產(chǎn)品價(jià)值，從這一點(diǎn)就可以看出DAC的重要性。

結(jié)論

DAC就像ADC和運(yùn)算放大器一樣，在許多應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用。如果將運(yùn)算放大器視為混合信號(hào)器件之間的“膠水”，那么可以這么說(shuō)：信號(hào)回路中的三個(gè)核心器件是運(yùn)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(diǎn)，完成任務(wù)的信號(hào)將返回其模擬起點(diǎn)。DAC在許多應(yīng)用中都將繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，包括一些未曾預(yù)見(jiàn)的應(yīng)用!設(shè)計(jì)工程師若想了解更多關(guān)于DAC這個(gè)有趣器件的知識(shí)，參考文獻(xiàn)[1-5]可以幫您繼續(xù)深入學(xué)習(xí)。