在現代工業(yè)自動化系統(tǒng)中，精確控制和測量是至關重要的。特別是在可編程邏輯控制器(PLC)、過程控制或電機控制等應用中，模擬輸出系統(tǒng)需要能夠穩(wěn)定地提供0 V至10 V或更高電壓的單極性或雙極性電壓擺幅。本文將詳細探討如何利用雙電源雙極性輸出DAC(數模轉換器)和帶外部信號調理的低壓單電源DAC(Low Voltage Single Supply DAC, LVSS DAC)來實現精密的10 V輸出。

一、引言

在工業(yè)自動化領域，DAC作為連接數字世界與模擬世界的橋梁，扮演著至關重要的角色。特別是在需要高精度電壓輸出的應用中，選擇合適的DAC及其外圍電路設計顯得尤為重要。本文將分別介紹雙電源雙極性輸出DAC和LVSS DAC，并分析各自的優(yōu)缺點，進而詳細討論如何通過這兩種方案實現精密10 V輸出。

二、雙電源雙極性輸出DAC方案

1. 雙極性DAC概述

雙電源雙極性輸出DAC通常能夠直接產生所需的雙極性電壓輸出，如±10 V或±5 V等。這種DAC具有集成度高、輸出范圍廣、精度高等優(yōu)點，廣泛應用于需要高精度電壓輸出的工業(yè)自動化系統(tǒng)中。

2. 電路設計

在設計利用雙電源雙極性輸出DAC實現精密10 V輸出的電路時，我們首先要了解DAC的基本結構和主要元件。一般而言，雙極性DAC主要由精密DAC、基準電壓源、基準電壓緩沖器、失調和增益調整模塊以及輸出放大器組成。

示例：AD5764 DAC

以AD5764為例，這是一款四通道、16位串行輸入、電壓輸出DAC，工作電壓范圍為12 V至15 V，標稱滿量程輸出范圍為10 V。AD5764內置了輸出放大器、基準電壓緩沖器、精密基準電壓源以及專有上電/關斷控制電路，使得電路設計更加簡化。

3. 優(yōu)點與局限性

優(yōu)點：

簡化設計：電路板設計簡單，因為所需的0 V至10 V或更高電壓輸出電平可直接通過硬件或軟件配置獲得。

故障保護：通常集成故障保護模式，如熱關斷、短路保護等，簡化系統(tǒng)設計。

提高可靠性：不需要額外的放大器、開關和電阻等分立元件，提高系統(tǒng)的可制造性和可靠性。

集成基準電壓源：部分DAC集成了精密基準電壓源，減少外部元件需求。

誤差計算：便于測量系統(tǒng)誤差和總非調整誤差(TUE)，確保系統(tǒng)精度。

局限性：

靈活性有限：集成高壓放大器可能不是所有應用的最佳選擇，特別是針對特定負載和噪聲要求的優(yōu)化可能不足。

成本和面積：雙極性DAC通常設計在較大的幾何工藝上，導致芯片和封裝尺寸較大且成本較高。

三、帶外部信號調理的低壓單電源DAC方案

1. LVSS DAC概述

LVSS DAC通常具有較低的電源電壓要求(如5 V或3 V)，并且需要外部信號調理電路來實現更高的輸出電壓擺幅。這種方案在成本和靈活性方面具有一定的優(yōu)勢。

2. 電路設計

利用LVSS DAC實現精密10 V輸出的電路設計相對復雜，但具有較高的靈活性。以下是一個典型的電路設計步驟：

選擇LVSS DAC：選擇一個具有適當分辨率和輸出范圍的LVSS DAC，如AD5062。

設計外部信號調理電路：使用運算放大器和其他外圍元件(如電阻、電容等)來放大DAC的輸出電壓至所需的10 V范圍。

集成基準電壓源：可能需要一個精密基準電壓源(如ADR421)來提供穩(wěn)定的參考電壓。

失調和增益調整：通過調整電路中的電阻和電位計等元件，對輸出進行精確的失調和增益調整。

3. 優(yōu)點與局限性

優(yōu)點：

靈活性高：可以根據應用需求選擇最適合的獨立放大器，滿足不同的負載和噪聲要求。

成本低：LVSS DAC通常比雙極性DAC便宜，有助于降低總體物料成本。

減少電路板面積：由于LVSS DAC本身尺寸較小，且可能不需要額外的高壓放大器，因此有助于減少電路板面積。

局限性：

設計復雜度：外部信號調理電路的設計需要較高的專業(yè)知識和實驗經驗，可能增加設計成本和時間。

性能限制：外部信號調理電路的性能可能受到放大器、電阻等元件的精度和穩(wěn)定性的限制。