調(diào)節(jié)DAC輸出電壓范圍的幾種方式

DAC 的全稱為 Digital to Analog Converter，即數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。它是一種將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的電路，例如將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲音輸出，或者將數(shù)字圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為可顯示的圖像。DAC 也可用于控制電機(jī)、電阻、電容等元件的輸出量，實(shí)現(xiàn)精密調(diào)節(jié)和控制。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如 PLC 或者模擬 IO 口應(yīng)用中，DAC 能夠在不同通道上設(shè)置不同輸出范圍，對(duì)控制非常有利，這樣用戶就能夠利用完整的 16 位數(shù)字碼范圍 (0 至 65,535)，而不用考慮 DAC 的輸出范圍。本文以 ADI AD5362 為例，介紹快速調(diào)整不同通道輸出電壓范圍的方法。

ADI AD5362 介紹

下圖 (圖1) 為 AD5362 內(nèi)部框圖，它是一款集成 8 通道 16 位的 DAC，它提供的緩沖電壓輸出范圍為基準(zhǔn)電壓源的 4 倍，各 DAC 的增益和失調(diào)可以獨(dú)立進(jìn)行調(diào)整，以消除誤差。該器件分成兩組，每組 4 個(gè) DAC，具有更高的靈活性，且每組的輸出范圍可單獨(dú)通過(guò)一個(gè)偏移 DAC 調(diào)節(jié)。

圖1 AD5362 內(nèi)部框圖

利用基準(zhǔn)電壓選擇輸出范圍

根據(jù) AD5362 的描述，我們了解到器件內(nèi)部 DAC0-DAC3 使用一個(gè)基準(zhǔn)源 VREF0，DAC4-DAC7 使用另外一個(gè)基準(zhǔn)源 VREF1，所以可以利用不同的基準(zhǔn)電壓值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的 DAC 輸出范圍，如下圖 (圖2) 所示：

圖2 分別使用獨(dú)立的基準(zhǔn)源產(chǎn)生不同的 DAC 輸出范圍

使用 OFFSET 寄存器改變輸出范圍

選擇確定的基準(zhǔn)電壓源之后就可以選擇 DAC 的電壓輸出范圍，比如選擇 5V 基準(zhǔn)源的時(shí)候，DAC 的默認(rèn)輸出電壓范圍是 ±10V；選擇 2.5V 基準(zhǔn)源的時(shí)候，DAC 的默認(rèn)輸出電壓范圍是 ±5V。可以看出 DAC 的默認(rèn)輸出擺幅是以 0V 為中心的，但是在某些情況下，如果我們想改變 DAC 輸出電壓偏移點(diǎn)該怎么做呢？

AD5362 內(nèi)部有兩個(gè) OFFSET 寄存器：OFS0 和 OFS1。OFS0 控制 DAC 0 至 DAC 3 的偏移，OFS1 控制 DAC 4 至 DAC 7 的偏移。AD5362 內(nèi)部偏移 DAC 是 14 位的且默認(rèn)值為 0X2000，也就是 8,192，跨度為基準(zhǔn)電壓值的四倍。用戶理論上最多可以將輸出范圍上移或下移 10V，不過(guò)輸出只能在電源和裕量要求的限制范圍內(nèi)調(diào)整。

在使用 2.5V 電壓基準(zhǔn)的時(shí)候，±5V 標(biāo)稱輸出可以發(fā)生偏移，產(chǎn)生 ?10V 至 0V 或 0V 至 +10V 輸出。但是使用 5V 基準(zhǔn)電壓時(shí)，產(chǎn)生 ±10V 標(biāo)稱輸出，卻無(wú)法利用偏移 DAC 寄存器產(chǎn)生 0V 至 +20V 輸出，因?yàn)檫@超出了電源和裕量限制。DAC 輸出電壓由以下公式?jīng)Q定，值得注意的是 OFFSET 寄存器是 14 位的，AD5362 本身是 16 位的，所以需要將 OFFSET_CODE 乘以 4。VSIGGND 為相關(guān) SIGGND 引腳上的電壓，通常為 0V。

在實(shí)際使用中，我們通常根據(jù)需要獲得的 Vout 電壓反推出 0FFSET_CODE，如下圖 (圖3) 所示，在給定 5V 基準(zhǔn)電壓源的時(shí)候，正常輸出電壓范圍是 ±10V，而我們想要獲得 -8V-12V 電壓，65535 對(duì)應(yīng) 12V 電壓輸出，因此反推出 OFFSET_CODE 是 6553 (0X1999)。

圖3 利用偏移寄存器調(diào)整 DAC 輸出范圍

使用增益寄存器 M 和失調(diào)電壓寄存器 C 調(diào)整輸出電壓范圍

從上圖 (圖1) 內(nèi)部框圖中我們可以看出 AD5362 的每一個(gè)通道都有增益寄存器以及失調(diào)電壓寄存器，正常來(lái)講 AD5362 的輸出和輸入呈現(xiàn)線性關(guān)系：Y=MX+C。其中 Y 為輸出，X 為輸入，M 為增益寄存器值，也就是斜率，默認(rèn)為 1 (65535)，C 為失調(diào)電壓寄存器，默認(rèn)為 0 (32768)。M 和 C 寄存器均是 16 位的，所以 1LSB 對(duì)應(yīng)的電壓位：4*VREF/65535。

下面我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明 M 和 C 寄存器的作用：假如現(xiàn)在我們準(zhǔn)備使用 AD5362 產(chǎn)生 ±8V，正常來(lái)講使用 4.096V 的基準(zhǔn)電壓源是最合適的 (產(chǎn)生 ±8.192)，但是仍然有 0.384V 的電壓是我們使用不到的。為了最大程度上使用 DAC 的輸出動(dòng)態(tài)范圍，我們可以改變 C 寄存器，增加 0.192V 失調(diào)電壓，將 -8.192V 電壓變成 -8V，即：0.192V/1LSB=768LSB。

負(fù)電壓移動(dòng)時(shí)，理論上正電壓 8.192V 電壓也將增加 0.192V 失調(diào)電壓，但這樣得到的結(jié)果并不是我們想要的，所以需要調(diào)整斜率 M，將 16.384V 變成 16V，即：65535* (16/16.384) =63999。此時(shí)我們只要將 M 寄存器的值調(diào)整為 63999 即可，對(duì)于 0 至 65,535 范圍內(nèi)的 DAC 碼，輸出電壓在 ±8V 之間。

總結(jié)

本文以 ADI AD5362 為例，介紹了調(diào)節(jié) DAC 輸出電壓范圍的幾種方式，這些方式同樣適用于 AD5362 的系列姊妹產(chǎn)品 AD5360、AD5361 和 AD5363。在給定的基準(zhǔn)電壓源下靈活的使用 OFFSET 寄存器、M、C 寄存器或者三者配合使用可以非常完美的輸出您想要的電壓范圍。

審核編輯：湯梓紅