在当今电子技术飞速发展的时代，对于高精度电压源的需求日益增长。本文将深入探讨如何在设计 21 位精密电压源时实现超高精度。
电路原理与组件选择
文中介绍了一种用于实现超高精度电压源的电路，该电路通过将两个 20 位 DAC 并联，构建出一个具有 ±1 LSB 精度（或 0.5 ppm）的 21 位 DAC。不过，完整的解决方案还需要配备与 DAC 性能相匹配的精密运算放大器和基准电压源。
先进的数模转换器（DAC）目前分辨率为 20 位，这对于一些对精度要求极高的应用，如医疗成像或质谱测定等，成为了限制因素。而通过将高性能元件组合在一起，能够克服这一限制。整体解决方案所能实现的精度，取决于电路中各元件所构成的信号链，以及这些元件在电路板上的布局。
此电路将 AD5791 与 LTZ1000 及 AD8675/AD8676 搭配使用，在 21 位精度下实现 1 LSB INL。这种高精度电压源能令众多应用领域受益，比如医疗设备使用它能够生成小型解剖结构的清晰图像，还可用于制造更准确的测试测量设备，有助于生产出准确度更高的工业产品。
关键组件介绍
AD5791 是一款单通道、20 位、双极性输出、无缓冲的电压输出 DAC。它实现了 ±1 LSB 的相对精度指标（INL），并且能在 ±1 LSB 微分非线性（DNL）条件下保持单调工作。其具有 0.05 ppm/°C 的温度漂移、0.1 ppm 的峰峰值噪声，以及优于 1 ppm 的长期稳定性。该 IC 的内部架构是一个采用薄膜电阻匹配技术制成的 R - 2R 数模转换器，采用 33 V 的双极性电源供电，可由 + 5 V 至 VDD–2.5 V 的正基准电压和 VSS 2.5 V 至 0 V 的负基准电压驱动，配备多功能 3 线串行接口，工作时钟速率可达 35 MHz，兼容标准 SPI、QSPI?、MICROWIRE?和 DSP 接口标准。
LTZ1000 是一款超稳定的温度可控基准电压源，提供 7.2 V 输出，具有出色的 1.2 ?V p - p 噪声、2 μV/√kHr 长期稳定性和 0.05 ppm/℃温度漂移。该器件内置深埋型齐纳二极管基准电压源、用于提高温度稳定性的加热电阻，以及温度检测电阻。外部元件用于设置工作电流和温度，以使基准电压源稳定，从而提供的灵活性，并确保的长期稳定性和噪声性能，几乎不受外部温度变化的影响。
对于运算放大器，选择 AD8675/AD8676 是因为它们具备精准的轨到轨能力，具有超低的 12 μV 的失调电压、0.6 μV/°C 的漂移、在 1 kHz 频率下 2.8 nV/√Hz 的电压噪声，以及在整个工作温度范围内仅 2 nA 的输入偏置电流。
实现 21 位 DAC 功能
基于电阻分压器原理，可利用 20 位 DAC 实现 21 位 DAC 功能。AD5791 的输出阻抗为 3.4 kΩ，当两个此类 IC 的输出端连接在一起时，等效电路就变成了一个电阻分压器。当两个 DAC 之间的代码差值为一个 LSB 时，DAC 电阻分压器的输出电压将是该电压差值的一半，相当于半个 LSB。通过将两个 20 位 DAC 的输出端并联，能够得到一个等效的 21 位 DAC。
测试与影响因素
在测量过程中，低频段（低于 1 MHz）的外部辐射噪声对结果产生了影响，主要是因为测试的评估板距离电源及附近其他仪器较近。为降低这种噪声的影响，将所有硬件放置在一个能够阻挡电磁场（EMF）的屏蔽箱内，测试中所用的 EMF 屏蔽箱。
环境温度波动也是影响测量准确性的关键因素之一。若基准电压源无法在恒温条件下工作，其输出稳定性将大打折扣。而 LTZ1000 有效解决了这一问题，其内部集成的电阻搭配外部元件并利用反馈回路，能够调节芯片温度，使器件内部温度始终保持恒定，避免了外部环境温度波动对电压输出稳定性的干扰。
电源等有源元件可能导致电源轨的输出电压发生变化，进而影响 DAC 的输出电压，电源电压变化对输出电压的影响体现在 DAC 的 DCPSRR 规格中。用于基准电压和输出缓冲的运算放大器也表现出温度相关性。
对于高精度应用，电阻选型需格外谨慎，应选择具有低温漂的电阻，理想情况下其温漂应在 0.01% 左右，并且在可能的情况下，使系统在恒定温度下运行，以尽量减小电阻的变化。由于温漂，基准电压 IC 的外部温度变化会导致输出电压成比例地波动，这些波动对积分非线性（INL）的影响如下图所示：
为在测试过程中尽量减少温度变化，可采用温度控制设备，确保在整个测试期间温度保持稳定。为保持测试简便性，之前用于使评估板免受外部辐射电磁噪声干扰的电磁场屏蔽箱，也被用来维持相对稳定的温度。经计算，评估板的功耗低于 0.5 W，使得在整个测试期间，EMF 屏蔽箱内部的温度范围保持在 25°C 至 30°C 之间。
编程实现与结果
明确所有可能影响信号链 DAC 输出电压的因素后，下一步是对两个 DAC 进行编程，以有效实现 21 位 DAC 的功能。从数字层面来看，处理给定的 21 位代码时，需将该 DAC 代码拆分为两部分。若原始代码为偶数，做除法运算后的余数为零；若原始的 21 位代码为奇数，做除法运算后的余数为 1。这种情况下，应对其中一个 DAC 按照除法运算的结果进行编程，而另一个 DAC 则按照拆分后的代码加 1 进行编程，示例如下表所示：
21 位代码DAC A：20 位代码DAC B：20 位代码
偶数，例如：0x100x80x8
奇数，例如：0x110x80x9
通过细分 AD5791 的 LSB 大小，这一概念还可以进一步拓展。例如，要实现一个 22 位 DAC，需将四个 DAC 的输出端并联起来。不过，从性能方面考虑，主要的关注点在于噪声问题，尤其是在 20 V 的电压范围下，其 LSB 大小仅为 4.77 μV。本文尚未在这一水平上进行相关测量，为评估这种电路，有必要制作一块专门安装有四个 DAC 的电路板。
实验结果表明，为实现 21 位 INL 精度而连接的两个 AD5791 DAC 的 INL 低于 ±1 LSB，这也是本次实验的目标。这些结果是在受控的温度条件下获得的，整个装置都被置于一个 EMF 屏蔽箱内，21 位 INL 图如下：
21 位配置下的 DNL 证明了其单调性，DNL 结果呈现出离散数字的有效 DNL 代码。考虑到 21 位配置的 LSB 大小仅为 9.53 μV，这种情况可归因于所使用的数字电压表（DVM）的局限性，21 位 DNL 图如下：
这些结果是通过使用 3458A 数字电压表、八位半电压表以及一个标准的实验室电源得出的。电压测量的时间窗口设定为 20 ms，这与测量所在地欧洲的市电 50 Hz 频率相对应。
结论与建议
将两个 AD5791 型 20 位 DAC 组合起来，能够实现具有 1 LSB INL 的 21 位 DAC 性能。但重要的是要关注整个信号链，尽量减少精度误差。此外，诸如温度和电磁干扰等外部因素也会影响系统的输出。
对于后续工作，建议在印刷电路板（PCB）上搭建这种电路，以增强信号完整性，并将外部噪声耦合降至。除了进行 INL 和 DNL 测量之外，还建议测量诸如噪声系数等其他参数，以便更全面地剖析系统性能特性。为便于开展这些工作，建议使用一块新的专用 PCB。
