数字电位计AD5292构建30 V低成本DAC

     过程控制电路功能与优势如图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±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VOUT。

　　本电路具有高、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。

　　电路描述

　　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、高和超低噪声性能。

　　确保ADR512工作电流的电阻值由公式1确定。

　　在图1和图2中，RBIAS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（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的输出电压(VOUT)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，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，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。AD5292则具有业界的±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。

表1. 图1中单极性DAC的典型特性

　　常见变化

　　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。