如何快速調(diào)整DAC輸出電壓范圍

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。

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 AD536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?？梢钥闯鯠AC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。欲了解關(guān)于更多ADI產(chǎn)品和方案信息，請(qǐng)與駿龍科技當(dāng)?shù)氐霓k事處聯(lián)系，或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com，駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。
參考資料：
AD5362 數(shù)據(jù)手冊(cè)和產(chǎn)品信息

(來(lái)源：駿龍電子公眾號(hào)，作者：陸聰)