高性能nanoDAC AD5611的原理及應(yīng)用(圖)

摘 要：ad5611是美國模擬器件公司(adi)生產(chǎn)的一款單電源串行10位nanodac系列數(shù)模轉(zhuǎn)換器，特別適用于以電池供電的便攜式儀器。文中介紹了ad5611的性能特點、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計考慮，同時給出了由ad5611組成的雙極性電壓輸出d/a轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路。
關(guān)鍵詞：數(shù)模轉(zhuǎn)換器；ad5611；80c51；三線串口

概述
--- ad5611是一款易控制、小尺寸、低功耗的10位dac，在5v時的最大工作電流為100μa，并保證有單調(diào)的性能。在節(jié)電模式下，ad5611工作電壓為3v時的功耗電流小于100na，芯片還可通過軟件選擇輸出負載。ad5611利用通用三線串口將時鐘頻率上升到30mhz，同時與spi、qspi、microwire、dsp等接口標準兼容。ad5611的基準電壓源來自電源輸入，因此獲得了很寬的動態(tài)輸出范圍，該部分同時合并了加電復位電路，確保無輸入信號時dac的輸出端電平始終保持為0v。ad5611具有軌到軌輸出緩沖放大器，可實現(xiàn)0.5v/μs的轉(zhuǎn)換速率，還具有同步中斷控制功能。
由于以上這些特點，使ad5611很適合作為電壓準位設(shè)定，主要用于消費類電子產(chǎn)品和手持設(shè)備、數(shù)字增益和偏移量調(diào)整、可編程電壓源、可編程電流源和可編程衰減器等場合，例如數(shù)碼相機、pda、手機音量控制或背光顯示屏亮度控制等。
ad5611的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，芯片由施密特觸發(fā)輸入電路、基準源、加電復位電路、移位寄存器、輸入控制邏輯、節(jié)電控制邏輯模塊、輸出緩沖放大器及電阻網(wǎng)絡(luò)等部分組成。

設(shè)計要點
ad5611的內(nèi)部主要器件為dac移位寄存器、電阻網(wǎng)絡(luò)和輸出緩沖放大器。由于輸入到dac的數(shù)據(jù)是直接二進制格式，因此，從理論上得到的輸出電壓應(yīng)該為，其中，vdd是芯片的工作電源電壓，d是輸入二進制數(shù)據(jù)的十進制形式。
ad5611的三線串口(sync、sclk和din)可兼容spi、qspi、microwire接口協(xié)議標準。ad5611為單向通信，只有外部的寫操作，當sync由高電平跳至低電平時，通信開始，din在sclk時鐘信號的控制下，在sclk的下降沿將數(shù)據(jù)輸入16位移位寄存器。只有當16位數(shù)據(jù)全部輸入寄存器，即sclk的第16個下降沿過后，移位寄存器才將最新的數(shù)據(jù)加載進去，從而完成一次完整的寫操作。在串行數(shù)據(jù)輸入過程中，sync必須保持為低電平，直到通信結(jié)束，否則，寫操作無效。如果在對ad5611進行一次寫操作后，緊接著要進行第二次寫操作，那么在第一次寫操作完成后至少應(yīng)保持33ns的高電平，以使sync能產(chǎn)生一個下降沿來啟動下一次寫時序。
輸入移位寄存器為16位寬度，如圖2所示。pd0位和pd1位是控制位，用以控制功率操作模式(標準模式或三種節(jié)電模式中的一種模式)。d0～d13位是數(shù)據(jù)位，在sclk波形的第16個下降沿時傳輸至dac寄存器。

ad5611有四種獨立的工作模式，工作模式的選擇通過軟件設(shè)置寄存器的db15和db14位來完成，工作模式和真值表的對應(yīng)關(guān)系見圖3中。ad5611在標準模式下，輸出端vout輸出與數(shù)字量成正比的模擬電平；而在節(jié)電模式下，其輸出端vout將在芯片內(nèi)部通過一個電阻接地或保持開路。節(jié)電模式下的三種工作模式分別為輸出端接1kω電阻到地、輸出端接100kω電阻到地、輸出端斷開電路(三態(tài))。
   節(jié)電模式被激活時，偏壓發(fā)生器、輸出放大器及其他相關(guān)的線性電路將全部關(guān)閉，但dac寄存器中的內(nèi)容不受影響。在vdd=5v和vdd=3v兩種情況下，退出節(jié)電模式的時間分別對應(yīng)為2.5μs和5μs。
飛利浦公司生產(chǎn)的80c51單片機在微控制器領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，而ad5611的通用三線串口可方便地與其接口。圖3給出了ad5611與80c51單片機傳輸數(shù)據(jù)的接口原理圖。當rxd信號驅(qū)動ad5611的串行數(shù)據(jù)線(din)時，txd信號則用來作為串行時鐘線(sclk)的驅(qū)動信號。當數(shù)據(jù)傳輸?shù)絘d5611時，p3.3應(yīng)被置為低電平。因為80c51是以8位數(shù)據(jù)(1字節(jié))作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝?，所以傳輸周期只?jīng)歷8時鐘的下降沿。為了將數(shù)據(jù)加載到轉(zhuǎn)換器，當前8位數(shù)據(jù)傳輸完畢時，p3.3就應(yīng)該置為低電平，啟動一個新的寫周期以傳輸下一個字節(jié)。當完成一個寫周期后，p3.3即變?yōu)楦唠娖?。傳輸?shù)據(jù)時，80c51先輸出數(shù)據(jù)的最低有效位(lsb)，而ad5611則只能先接收數(shù)據(jù)的最高有效位(msb)，這一點是在對80c51編程時需要加以考慮的。

前面介紹到ad5611為單極性電源操作，但在實際應(yīng)用中也可通過運算放大器等相關(guān)元件和ad5611組成雙極性電壓輸出d/a轉(zhuǎn)換電路。圖4所示電路是由ad5611和運算放大器ad820組成的雙極性電壓輸出d/a轉(zhuǎn)換電路，其數(shù)字量0x0000對應(yīng)于模擬輸出電壓的-5v，而0x3fff則對應(yīng)+5v的模擬輸出電壓。輸出電壓可根據(jù)下式計算得到：

；
這里，d表示輸入數(shù)據(jù)的十進制形式。當vdd=5v，r1=r2=10kω時，
；

結(jié)束語
ad5611具有接口簡單、使用方便、便于精密輸出控制等特點，同時又具備很低的功耗，能夠滿足當前系統(tǒng)對低功耗、小封裝和低成本的要求。

參考文獻
1 analog devices. nanodac d/a, spi interface. sc70 package.2004
2 周立功.增強型80c51單片機速成與實戰(zhàn). 2003
3 劉書明.高性能模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器件. 2000
4 張友德. 飛利浦80c51系列單片機原理與應(yīng)用技術(shù)手冊.1992