高性能nanoDAC AD5611的原理及應(yīng)用
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(fù)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(fù)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。
圖
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。
圖2
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))。
圖3
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)紸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)楦唠娖健鬏敂?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。
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
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