利用数字电位计AD5292构建30 V低成本DAC (CN0111)

图1所示电路采用digiPOT+系列数字电位计AD5292、双通道运算放大器ADA4091-2和基准电压源ADR512，提供一种低成本、高电压、单极性DAC。该电路提供10位分辨率，输出电压范围为0 V至30 V，能够提供最高±20 mA的输出电流。AD5292可以通过SPI兼容型串行接口编程。

图1：单极性DAC配置（原理示意图，未显示去耦和所有连接）

 

AD5292具有±1%电阻容差，因而可以与外部分压器电阻R₃和R₄串联，如图2和图5所示，以构建一个在缩小的输出电压范围内提供10位分辨率的游标DAC；这可以起到提高DAC灵敏度的作用，类似于增加一个与电位计串联的电阻。此外，AD5292内置一个20次可编程存储器，可以在上电时自定义输出电压V_OUT。

本电路具有高精度、低噪声和低温度系数输出电压等特性，非常适合数字校准应用。

图1所示电路采用数字电位计AD5292、基准电压源ADR512和运算放大器ADA4091-2，提供一种10位、低成本、高电压DAC。本电路可保证单调性，微分非线性(DNL)为±1 LSB，积分非线性典型值为±2 LSB。

高压稳压器由低压基准电压源和后接的同相放大器组成，该放大器的增益由R₁ 与 R₂的比值决定。1.200 V基准电压源ADR512具有低温度漂移、高精度和超低噪声性能。

确保ADR512最小工作电流的最大电阻值由公式1确定。



在图1和图2中，R_BIAS电阻为12 kΩ，可将ADR512的偏置电流设置为2.4 mA。

图2：通过缩小输出电压范围并利用游标DAC来提高精度（原理示意图，未显示去耦和所有连接）

 

ADA4091-2是一款运算放大器，具有低失调电压和轨到轨输出。ADR512与ADA4091配合使用，可提供低温度系数和低噪声输出电压。

电阻R₁ 和 R₂ 用来调整放大器的增益。U1A的输出电压V₁ 决定DAC的最大输出电压(V_OUT)范围。可以用公式2计算电阻值。



图1中，所选电阻值可提供23.1的增益和27.72 V的V₁ 值。可以用该电压为其它电路供电，最大输出电流为17 mA。

图3和图4分别显示典型的积分非线性(INL)和微分非线性(DNL)曲线。在图1所示配置中，AD5292采用比率式工作方式，这意味着总电阻容差的变化不会影响性能。

图3：INL与DAC码的关系

 

图4：DNL与DAC码的关系

 

为改善电路精度，可以用两个外部电阻降低AD5292上的基准电压，如图5所示，由此便可在有限的电压范围内提供全部10位分辨率（游标DAC）。数字电位计通常具有±20%的端到端电阻容差误差，由于数字电位计与外部电阻之间存在匹配误差，因此会影响电路精度。AD5292则具有业界领先的±1%电阻容差性能，有助于克服电阻匹配误差问题。

图5：通过降低基准电压来构建游标DAC，从而改善INL性能（原理示意图，未显示去耦和所有连接）

 

这种情况下：





缩小范围内的1 LSB可以通过下式计算：



相对于最高基准电压V₁，游标DAC的等效分辨率为：

图6显示利用图5的游标DAC电路而获得的INL（以 V₁为基准）曲线。

图6：游标DAC的INL（以V1为基准）

 

AD5292具有一个20次可编程存储器，可以在上电时将输出电压预设为特定值。

为了使本文所讨论的电路达到理想的性能，必须采用出色的布局、接地和去耦技术（请参考教程 MT-031 和教程 MT-101）。至少应采用四层PCB：一层为接地层，一层为电源层，另两层为信号层。

AD5291 （8位、内置20次可编程上电存储器）和AD5293（10位、无上电存储器）均为±1%容差数字电位计，同样适合本应用。

4.096 V低成本基准电压源ADR5044也不失为一种选择。R1/R2比值可以根据不同的基准电压进行适当调整。