當選擇數模轉換器 (DAC) 時，設計師可以從種類繁多的 IC 中選擇。DAC 可以針對具體的應用劃分成很多不同類別。不過，DAC 的劃分也可以簡化，僅分成 DC 或低速調節所需的 DAC和產生高速波形所需的 DAC。 本文專注于低速應用所需的 DAC，而無論該應用是低分辨率還是高分辨率、是粗略調節還是精細調節。

　　就選擇低速 DAC 而言，決定設計是閉環、開環或“設定后便不需再過問”的系統是很重要。每一種設計都需要一個具某些關鍵性能規格的 DAC。

　　閉環系統

　　閉環系統包括一條反饋通路，以檢測和校準任何誤差。傳感器根據諸如伺服電動機、流量閥或溫度檢測單元等的物理參數監視輸出。然后傳感器將數據饋送回控制器，而控制器則利用這個信息決定是否需要校正。

　　DAC 和模數轉換器 (ADC) 是位于閉環系統核心的關鍵組件。DAC 用在前饋通路中以調節系統，ADC 用在反饋通路中，以監視這些調節的效果。它們一起施加和檢測模擬控制信號，以真實地調節它們控制的參數。

　　電動機控制是這類閉環系統的一個例子，如圖 1 中詳細說明的那樣。首先，將一個想要的輸出 (設定點) 加到控制器上，控制器對這個輸出和反饋信號進行比較。如果需要校正，那么控制器會調節 DAC 的輸入編碼，然后 DAC 在其輸出端產生一個模擬電壓。該 DAC 的輸出電壓通過一個功率放大器放大，以給電動機提供所需的驅動電流。

圖 1：閉環系統舉例

　　在這個閉環系統的下一級，用一個轉速計測量電動機的旋轉速度。旋轉信號是該閉環系統的實際輸出或可變過程。ADC 將該轉速計的輸出數字化，并將數據發送到控制器，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機上進行任何校正。采用這種方式，誤差被降到可接受的水平。理想情況下，反饋允許閉環系統消除所有誤差，從而有效地限制噪聲、溫度、外力或其他不想要的信號等任何誤差來源的影響。

　　閉環系統的性能取決于準確的反饋通路，包括傳感器和 ADC。本質上，反饋通路補償了前饋通路的誤差。因為 DAC 在前饋通路中，其積分非線性 (INL) 誤差就自動得到了補償。INL 誤差是 DAC 輸出端實際的傳遞函數與理想傳遞函數之間的偏差。不過，DAC 必須有良好的差分非線性 (DNL)，并且必須相對于數據表中規定的位數呈單調性。DNL 誤差是 DAC 模擬輸出端的實際電壓變化與理想電壓步進 (等于 DAC 輸入編碼中 1 個最低有效位 (LSB) 步進) 之差。單調的 DAC 意味著，模擬輸出始終隨著數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 規格意味著單調性。圖 2 顯示 DAC 模擬輸出電壓相對于 DAC 輸入編碼的傳遞函數。

　　如果 DAC 不是單調的，那么會存在一個負反饋變成正反饋的區域。這可能導致振蕩，而振蕩最終可能毀壞電動機。

圖 2：DNL 傳遞函數

　　開環系統

　　開環系統沒有反饋通路。這意味著，系統自身必須是準確的。開環控制對于良好定義的系統是有用的，在這類系統中，輸入編碼及其在負載上所導致行動之間的關系是已知的。如果負載不是非常可預測的，那么最好使用閉環控制。

　　開環系統的一個例子如圖3所示。在這個例子中，DAC 驅動凌力爾特穩壓器 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節設定點。LT3080 的輸出電壓范圍為 0V 至絕對最大額定輸出電壓。

　　DAC 的分辨率決定 SET 引腳調節的步進大小。例如，一個具有 5V 基準的 8 位 DAC 有 5V / 28 = 19.5mV 的 LSB。一個具有同樣 5V 基準的 12 位 DAC 有 1.2mV 的 LSB，一個 16 位 DAC 有 76µV 的 LSB。這意味著，就一個理想 DAC 而言，數字編碼每增大一次，模擬輸出都應該增加 76µV。

　　開環系統中的其他重要參數包括偏移、增益誤差、基準電壓誤差以及這些參數隨時間和溫度變化的穩定性。INL 尤其重要，因為與閉環系統相比，DAC 的 INL 對系統的總體線性度有直接影響。

圖 3：開環系統舉例

　　“設定后便不需再過問”的系統

　　DAC 線性度起到重要作用的第三種應用是“設定后便不需再過問”的系統。在這類系統中，調節或校準只進行一次，也許在制造時或安裝時。因此，這類系統一開始是一種閉環系統，然后又變成開環的。所以，與初始準確度 (偏移、增益誤差、INL) 有關的任何參數都不關鍵，因為這些參數在調節時都得到了補償。但是一旦反饋去掉，穩定性就變得很關鍵了。表明穩定性的數據表性能規格包括：增益誤差漂移、失調和基準漂移。
 

      圖 4 顯示一個“設定后便不需再過問”的應用例子。在這張圖中，一個較低分辨率的 DAC 驅動一個可編程增益放大器，該放大器設定精準 DAC 偏移調節引腳上的電壓。在初始系統校準時，該較低分辨率 DAC 用來有效地校準精準 DAC 的增益偏移。這個調節代碼可以存儲在非易失性存儲器中，并在系統每次加電時裝載。

圖 4：“設定后便不需再過問”的系統舉例

　　進一步了解 DAC DC 性能規格

　　一旦決定了閉環、開環或“設定后便不需再過問”系統的類型，就該選擇最好的 DAC 了。正如之前提到的那樣，有些應用需要粗略調節，這意味著系統僅需要有限數量的可變設置。在這種情況下，8 位或 10 位分辨率的 DAC 一般就足夠了。就需要更精細控制的系統而言，12 位 DAC 可以提供足夠的分辨率。在今天的市場上，16 位和 18 位 DAC 提供最精細的每 LSB 分辨率。

　　LTC2600 是一種 16 位 8 通道 DAC，是為閉環系統而設計的。看一下它的 DC 性能規格會發現這是很明顯的。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格。16 位單調性和 ±1LSB DNL 誤差允許在前饋通路中進行精準控制。正如前面提到的那樣，前饋誤差對閉環系統來說不重要，只要該 DAC 是單調的就行。

圖 5：LTC2656 與 LTC2600 的比較

　　相反，新的 LTC2656 是一種 8 通道 DAC，所有 8 個 DAC 都提供 16 位單調性和卓越的 ±4LSB INL 誤差，從而使該器件可能同時適合開環和閉環系統。LTC2656 封裝中所有 8 個 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。

　　單個封裝中的 8 個 DAC 都實現高線性度不是一個容易的設計任務。封裝壓力和電壓隨溫度的漂移都必須在設計中考慮到。單個 DAC 實現較嚴格的 INL 性能規格會容易得多。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 性能規格。

　　除了 INL 和 DNL，其他要考慮的重要 DC 性能規格是偏移誤差 (或零標度誤差) 和增益誤差 (滿標度誤差)。偏移誤差表示，在 (或接近) 零標度輸入編碼時，實際傳遞函數與理想傳遞函數的匹配程度。就需要直到地的精準控制應用而言，偏移誤差是非常重要的。LTC2656 提供非常低的 ±2mV 最大偏移誤差。

　　增益誤差表示實際傳遞函數斜率與理想傳遞函數斜率的匹配程度。增益誤差和滿標度誤差有時可互換使用，但是滿標度誤差同時包括增益誤差和偏移誤差。LTC2656 提供 ±64LSB 的最大增益誤差，這等于滿標度的0.098% (64/65536)，是一個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 可能允許系統不必運行控制器或 FPGA 中軟件的校準周期。一個隨時間和溫度變化漂移非常小的 DAC 還使設計更簡單，因為系統工程師不需要經常校準。

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。不過，有些閉環、開環或“設定后便不需再過問”的系統需要 ±10V DAC。就這些高壓系統而言，設計師既可以用具可編程增益放大器的單極性 0V 至 5V DAC來執行增益和電平移動，或者也可以由 DAC 直接提供 ±10V 的信號。

　　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 ±10V 的輸出電壓。LTC1592 是單通道 16 位 DAC 的一個例子，該器件提供兩個單極性和 4 個雙極性可由軟件編程設定的輸出電壓范圍，包括 0V 至 5V、0V 至 10V、±2.5V、±5V、±10V 和 -2.5V 至 7.5V。因此，同一個 DAC 既可以用于單極性系統也可以用于雙極性系統，而無需徹底地重新設定控制器。例如，將 DAC 輸出范圍從 0V 至 5V 改變到 ±10V，僅需要改變至 DAC 串行位流中的兩個位。

　　結論

　　DAC是開環、閉環或“設定后便不需再過問”系統的關鍵組件。這類系統每一種都需要 DAC 提供不同級別的準確度和分辨率。在特定分辨率時，總是有一些因素需要權衡，如價格、封裝大小、基準準確度和輸出阻抗。就最高精確度的系統而言，選擇 DAC 時很重要的是不僅要考慮數據表第一頁上提供的位數是多少，還要考慮 INL、DNL、偏移誤差、增益誤差等 DC 性能規格保證有多高的準確度。