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数模转换器(DAC)有哪些应用?数模转换器(DAC)应用指南
文章来源:永阜康科技 更新时间:2018/8/28 10:11:00
引言

数模转换器(DAC)有着很广泛的应用,作为数字域和模拟域的沟通桥梁,DAC在许多重要场合中都非常有用。有个问题常被问及:“既然技术的发展已经进入数字时代,DAC是否将从电子世界中消失呢?”答案是不会!尽管IC制造商每年都会将更多的特性集成到处理器或FPGA中,但总还会有一些接口类的应用需求。在全新的3.3V数字世界中,要处理不稳定的和动态模拟信号并不容易,所以DAC在电子行业中将继续发挥重要作用。

尽管没有详尽的应用列表,表1还是给出了许多常见的应用,介绍DAC在系统内的典型功用。在一些应用中,DAC的功能相对比较明了,但在校准等其他应用中就没有那么明显

DAC应用指南

DAC Applications Review Bill Mcculley  美国国家半导体了。本文中,我们将回顾一些具体应用:如CD唱机中的音频DAC,校准和电机控制。

音频DAC-消费类CD播放器

DAC在消费音频产品中扮演了重要的角色,随着半导体制造商将更多特性集成到高价值产品中,专业音频DAC数量实现了连年增长。图1给出了用在消费类CD播放器中的高分辨率DAC。

图1中的第一个模块代表了光学读头。这个模块含有激光二极管、反射镜和聚焦透镜,还有一个光电探测器将反射光转换为电信号。第二个模块包括调理电路、采样电路和一个音频DSP,或者一个定制的专用集成电路(ASIC)。在该应用中,CD播放器将播放各种音频信号,从摇滚乐到线性度极好、失真度和噪声都极低的古典交响乐。就DAC而言,其分辨率通常很高(24位或更高)。另外,如果是一个音频DAC,针对于音频应用,它还有其他一些特点和具体的性能特性。大多数CD唱机都要用到外部低通滤波器(LPF)或缓冲电路。本应用的最终目标是产生最优质的声音:在整个音频频谱内,其失真度和噪声都很低。

校准

无论是用于ADC电路的简单调理电路或者高度复杂的工业和工厂系统,DAC在校准任务中都非常有用。根据校准要求,可能需要对一系列参数进行动态调整以确保结果的一致性,比如电压偏置、增益调整或电流偏置。每年,工厂生产都变得更加自动化。但不管自动化水平如何,对电路的正确校准都会越来越重要。通常需要一种方式来快速探测系统输出错误,然后通过在流动过程起点引入“修正”而对其进行处理。由于“修正”在本质上属于模拟域内操作,所以在许多应用中DAC均是该任务的理想选择 。


图2示意了一类需要特殊校准的应用,这是一个压力传感系统。电路从传感器中获得一个低电平电压信号,将其馈入ADC/处理器用于显示或进一步动作。图中的桥式传感器从压力传感器处接收信号,并由此产生相应的输出电压。总之,传感器/电桥功能作为一个压力桥传感器[1]。由于小信号的缘故,要使用一个仪表放大器(In Amp)将小差分信号放大。根据信号强度,可以为其提供增益,确保对于ADC的输入而言,信号是满刻度的。仪表放大器还可以缓冲送往ADC的信号,该ADC将对信号进行采样,而后将数据编码送到微控制器或FPGA中。

对于许多用户来说更重要的是,压力传感系统在众多情况下会需要较高精度和更高准确性。这些情况包括温度的改变和变化的全盘寄生误差,甚至是多种不同器件的容差等。多数情况下,产品外部引入的整体误差会变得很大。在该应用中,用一对DAC对增益误差和传感器偏置进行动态“校准”或修正。如图2所示,DAC增益调节和DAC传感器偏置这两部分会接收数据编码,微控制器借助代码进行适当地修正。(使用查找表或内部软件比较程序)可以很容易地对微控制器进行编程,将合适的校准数据送至DAC。模拟电压从DAC流经另外一对仪表放大器,进行预除和缓存处理。用于偏置和增益校准的信号之后送往主要的仪表放大器非反相输入端。

文章最后给出了简略原理图的超链接[2]。该示意图并不涵盖设计的所有方面,如电源、旁路和电压参考电路等。但它向读者示意了如何用DAC和仪表放大器对传感器电路进行动态校准。DAC型号为DAC122S085,它是一个双通道的12位DAC。DAC通过SPI接口将微控制器的数据编码转换,并将电压信号传递至仪表放大器校准电路上。

查看原理图时需要考虑LMP7702 和LMP2016运算放大器的选项,它们的组合可构成仪表放大器。根据具体的应用要求,也可以使用一个集成式仪表放大器。LMP8358就是一个集成式仪表放大器。即使是最好的轨至轨输出放大器,在单电源下工作时也不能输出0V电压。这会导致误差积累,因为放大器的输出饱和电压会在接下来的放大级中被放大。一种缓解方法是引入一个很小的负电源电压,防止放大器输出在0V时达到饱和,有利于精确维持0V水平。另一个好处就是它可以充分使用ADC的全部输入范围。在原理图中,我们给电路中的每个仪表放大器均添加了一个-0.23V的微小负电压,使用的是LM7705负偏置发生器。

       电机控制

最流行的电机之一是直流无刷电机(BLDC)。相对于直流有刷电机,它有一些很明显的优势,包括效率更高、机械磨损更低以及服务和维护成本更低。直流无刷电机本身还可细分为步进和磁阻电机等类型。在消费产品、工业和工厂系统、机器人技术、工具和其他应用中,直流无刷电机的使用已相当普遍。直流电机通常与可变磁阻传感器(VRS)或霍耳效应传感器一起使用,用来测量电机的位置和速度。在最新的直流电机中,传感器电子产品可以集成到电机的整体设计中。图3显示了一种使用DAC来构建直流电机控制系统的方法。

如前所述,在电机控制应用中,DAC用微控制器或专业控制器IC来驱动。这种情况下,DAC将通过一个并行接口接收输入数据编码,之后把数据编码转换为电流输出。所示电机驱动器电路可以通过多种方式实现。尽管有专用的集成IC,但也可以使用简单的功率运算放大器进行设计,比如LM675。驱动器电路的结构依赖于直流电机的具体要求,比如总功率、连续和最大电流以及其他要求中的电压范围等。在运行中,电机/编码器将速度和位置信号送到微控制器。根据编码器,这些信号可能也会包含索引脉冲信号。微控制器之后会通过送到DAC的数据编码来调节电机的速度和方向。在这一点上,DAC在“闭合控制回路”中发挥作用。如您所见,DAC在电机控制应用中起着非常关键的作用,越来越多的制造商将DAC功能集成到他们的电机驱动器IC中以提高产品价值,从这一点就可以看出DAC的重要性。

结论

DAC就像ADC和运算放大器一样,在许多应用中起着关键作用。如果将运算放大器视为混合信号器件之间的“胶水”,那么可以这么说:信号回路中的三个核心器件是运算放大器、ADC和DAC。不论是从模拟域到数字域还是从数字域到模拟域,DAC都可视作电路的终点,完成任务的信号将返回其模拟起点。DAC在许多应用中都将继续发挥关键作用,包括一些未曾预见的应用!设计工程师若想了解更多关于DAC这个有趣器件的知识,参考文献[1-5]可以帮您继续深入学习。



 
 
 
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