应用于低速应用所需的 DAC的详细分析

当选择数模转换器 (DAC) 时，设计师可以从种类繁多的 IC 中选择。DAC 可以针对具体的应用划分成很多不同类别。不过，DAC 的划分也可以简化，仅分成 DC 或低速调节所需的 DAC和产生高速波形所需的 DAC。 本文专注于低速应用所需的 DAC，而无论该应用是低分辨率还是高分辨率、是粗略调节还是精细调节。

        就选择低速 DAC 而言，决定设计是闭环、开环或“设定后便不需再过问”的系统是很重要。每一种设计都需要一个具某些关键性能规格的 DAC。

闭环系统

        闭环系统包括一条反馈通路，以检测和校准任何误差。传感器根据诸如伺服电动机、流量阀或温度检测单元等的物理参数监视输出。然后传感器将数据馈送回控制器，而控制器则利用这个信息决定是否需要校正。

         DAC 和模数转换器 (ADC) 是位于闭环系统核心的关键组件。DAC 用在前馈通路中以调节系统，ADC 用在反馈通路中，以监视这些调节的效果。它们一起施加和检测模拟控制信号，以真实地调节它们控制的参数。

        电动机控制是这类闭环系统的一个例子，如图 1 中详细说明的那样。首先，将一个想要的输出 (设定点) 加到控制器上，控制器对这个输出和反馈信号进行比较。如果需要校正，那么控制器会调节 DAC 的输入编码，然后 DAC 在其输出端产生一个模拟电压。该 DAC 的输出电压通过一个功率放大器放大，以给电动机提供所需的驱动电流。

        在这个闭环系统的下一级，用一个转速计测量电动机的旋转速度。旋转信号是该闭环系统的实际输出或可变过程。ADC 将该转速计的输出数字化，并将数据发送到控制器，在控制器中，由算法决定是否需要在 DAC 输出以及最终的电动机上进行任何校正。采用这种方式，误差被降到可接受的水平。理想情况下，反馈允许闭环系统消除所有误差，从而有效地限制噪声、温度、外力或其他不想要的信号等任何误差来源的影响。

        闭环系统的性能取决于准确的反馈通路，包括传感器和 ADC。本质上，反馈通路补偿了前馈通路的误差。因为 DAC 在前馈通路中，其积分非线性 (INL) 误差就自动得到了补偿。INL 误差是 DAC 输出端实际的传递函数与理想传递函数之间的偏差。不过，DAC 必须有良好的差分非线性 (DNL)，并且必须相对于数据表中规定的位数呈单调性。DNL 误差是 DAC 模拟输出端的实际电压变化与理想电压步进 (等于 DAC 输入编码中 1 个最低有效位 (LSB) 步进) 之差。单调的 DAC 意味着，模拟输出始终随着数字编码的提高而提高或保持与其相同 (反之亦然)。始终大于 -1LSB 的 DNL 规格意味着单调性。图 2 显示 DAC 模拟输出电压相对于 DAC 输入编码的传递函数。

        如果 DAC 不是单调的，那么会存在一个负反馈变成正反馈的区域。这可能导致振荡，而振荡最终可能毁坏电动机。

 

图 1：闭环系统举例

DESIRED OUTPUT (SETPOINT)：想要的输出 (设定点)

POWER AMPLIFIER：功率放大器
FEED-FORWARD LINEARITY DOES NOT MATTER：前馈线性度不重要
MOTOR：电动机
ROTATION SIGNAL：旋转信号
ACTUAL OUTPUT (PROCESS VARIABLE)：实际输出 (可变过程)
TACHOMETER：转速计
FEEDBACK LINEARITY DOES MATTER：反馈线性度确实很重要

 

 

图 2：DNL 传递函数

ANALOG OUTPUT VALUE (LSB)：模拟输出值 (LSB)
DIFFERENTIAL LINEARITY ERROR (-1/4 LSB)：差分线性误差 (-1/4 LSB)
DIGITAL INPUT CODE：数字输入编码