当选择数模转换器(DAC)时，设计师可以从种类繁多的IC中选择。DAC可以针对具体的应用划分成很多不同类别。不过，DAC的划分也可以简化，仅分成DC或低速调节所需的DAC和产生高速波形所需的DAC。本文专注于低速应用所需的DAC，而无论该应用是低分辨率还是高分辨率、是粗略调节还是精细调节。
就选择低速DAC而言，决定设计是闭环、开环或"设定后便不需再过问"的系统是很重要。每一种设计都需要一个具某些关键性能规格的DAC。
闭环系统
闭环系统包括一条反馈通路，以检测和校准任何误差。传感器根据诸如伺服电动机、流量阀或温度检测单元等的物理参数监视输出。然后传感器将数据馈送回控制器，而控制器则利用这个信息决定是否需要校正。
DAC和模数转换器(ADC)是位于闭环系统核心的关键组件。DAC用在前馈通路中以调节系统，ADC用在反馈通路中，以监视这些调节的效果。它们一起施加和检测模拟控制信号，以真实地调节它们控制的参数。
电动机控制是这类闭环系统的一个例子，如图1中详细说明的那样。首先，将一个想要的输出(设定点)加到控制器上，控制器对这个输出和反馈信号进行比较。如果需要校正，那么控制器会调节DAC的输入编码，然后DAC在其输出端产生一个模拟电压。该DAC的输出电压通过一个功率放大器放大，以给电动机提供所需的驱动电流。
在这个闭环系统的下一级，用一个转速计测量电动机的旋转速度。旋转信号是该闭环系统的实际输出或可变过程。ADC将该转速计的输出数字化，并将数据发送到控制器，在控制器中，由算法决定是否需要在DAC输出以及最终的电动机上进行任何校正。采用这种方式，误差被降到可接受的水平。理想情况下，反馈允许闭环系统消除所有误差，从而有效地限制噪声、温度、外力或其他不想要的信号等任何误差来源的影响。
闭环系统的性能取决于准确的反馈通路，包括传感器和ADC。本质上，反馈通路补偿了前馈通路的误差。因为DAC在前馈通路中，其积分非线性(INL)误差就自动得到了补偿。INL误差是DAC输出端实际的传递函数与理想传递函数之间的偏差。不过，DAC必须有良好的差分非线性(DNL)，并且必须相对于数据表中规定的位数呈单调性。DNL误差是DAC模拟输出端的实际电压变化与理想电压步进(等于DAC输入编码中1个最低有效位(LSB)步进)之差。单调的DAC意味着，模拟输出始终随着数字编码的提高而提高或保持与其相同(反之亦然)。始终大于-1LSB的DNL规格意味着单调性。图2显示DAC模拟输出电压相对于DAC输入编码的传递函数。
如果DAC不是单调的，那么会存在一个负反馈变成正反馈的区域。这可能导致振荡，而振荡最终可能毁坏电动机。
图1：闭环系统举例
图2：DNL传递函数
开环系统
开环系统没有反馈通路。这意味着，系统自身必须是准确的。开环控制对于良好定义的系统是有用的，在这类系统中，输入编码及其在负载上所导致行动之间的关系是已知的。如果负载不是非常可预测的，那么最好使用闭环控制。
开环系统的一个例子如图3所示。在这个例子中，DAC驱动凌力尔特稳压器LT3080的SET电压引脚。SET引脚是误差放大器的输入和输出电压的调节设定点。LT3080的输出电压范围为0V至绝对最大额定输出电压。
DAC的分辨率决定SET引脚调节的步进大小。例如，一个具有5V基准的8位DAC有5V/28=19.5mV的LSB。一个具有同样5V基准的12位DAC有1.2mV的LSB，一个16位DAC有76μV的LSB。这意味着，就一个理想DAC而言，数字编码每增大一次，模拟输出都应该增加76μV。
开环系统中的其他重要参数包括偏移、增益误差、基准电压误差以及这些参数随时间和温度变化的稳定性。INL尤其重要，因为与闭环系统相比，DAC的INL对系统的总体线性度有直接影响。
图3：开环系统举例
"设定后便不需再过问"的系统
DAC线性度起到重要作用的第三种应用是"设定后便不需再过问"的系统。在这类系统中，调节或校准只进行一次，也许在制造时或安装时。因此，这类系统一开始是一种闭环系统，然后又变成开环的。所以，与初始准确度(偏移、增益误差、INL)有关的任何参数都不关键，因为这些参数在调节时都得到了补偿。但是一旦反馈去掉，稳定性就变得很关键了。表明稳定性的数据表性能规格包括：增益误差漂移、失调和基准漂移。
图4显示一个"设定后便不需再过问"的应用例子。在这张图中，一个较低分辨率的DAC驱动一个可编程增益放大器，该放大器设定精准DAC偏移调节引脚上的电压。在初始系统校准时，该较低分辨率DAC用来有效地校准精准DAC的增益偏移。这个调节代码可以存储在非易失性存储器中，并在系统每次加电时装载。
图4："设定后便不需再过问"的系统举例
进一步了解DACDC性能规格
一旦决定了闭环、开环或"设定后便不需再过问"系统的类型，就该选择最好的DAC了。正如之前提到的那样，有些应用需要粗略调节，这意味着系统仅需要有限数量的可变设置。在这种情况下，8位或10位分辨率的DAC一般就足够了。就需要更精细控制的系统而言，12位DAC可以提供足够的分辨率。在今天的市场上，16位和18位DAC提供最精细的每LSB分辨率。
LTC2600是一种16位8通道DAC，是为闭环系统而设计的。看一下它的DC性能规格会发现这是很明显的。典型的INL是±12LSB，最大值为±64LSB。典型的INL随输入代码的变化曲线在图5的下部显示了这些性能规格。16位单调性和±1LSBDNL误差允许在前馈通路中进行精准控制。正如前面提到的那样，前馈误差对闭环系统来说不重要，只要该DAC是单调的就行。
相反，新的LTC2656是一种8通道DAC，所有8个DAC都提供16位单调性和卓越的±4LSBINL误差，从而使该器件可能同时适合开环和闭环系统。LTC2656封装中所有8个DAC的典型INL随代码变化的曲线如图5所示。在16位8通道DAC类别中，LTC2656提供最佳INL。
单个封装中的8个DAC都实现高线性度不是一个容易的设计任务。封装压力和电压随温度的漂移都必须在设计中考虑到。单个DAC实现较严格的INL性能规格会容易得多。例如，凌力尔特公司提供的LTC2641是一种单16位DAC，该器件提供±1LSBINL和DNL的最高DC性能规格。
除了INL和DNL，其他要考虑的重要DC性能规格是偏移误差(或零标度误差)和增益误差(满标度误差)。偏移误差表示，在(或接近)零标度输入编码时，实际传递函数与理想传递函数的匹配程度。就需要直到地的精准控制应用而言，偏移误差是非常重要的。LTC2656提供非常低的±2mV最大偏移误差。
增益误差表示实际传递函数斜率与理想传递函数斜率的匹配程度。增益误差和满标度误差有时可互换使用，但是满标度误差同时包括增益误差和偏移误差。LTC2656提供±64LSB的最大增益误差，这等于满标度的0.098%(64/65536)，是一个非常小的最大增益误差。
具有非常好的偏移和增益误差的DAC可能允许系统不必运行控制器或FPGA中软件的校准周期。一个随时间和温度变化漂移非常小的DAC还使设计更简单，因为系统工程师不需要经常校准。
图5：LTC2656与LTC2600的比较
图6：LTC2656方框图
±10V输出的DACs
之前提到的DAC用于单电源或单极性0V至5V系统。不过，有些闭环、开环或"设定后便不需再过问"的系统需要±10VDAC。就这些高压系统而言，设计师既可以用具可编程增益控制器的单极性0V至5VDAC来执行增益和电平移动，或者也可以由DAC直接提供±10V的信号。
凌力尔特公司提供单、双和放大器道DAC供客户选择，这些DAC提供高达±10V的输出电压。四通1592是单通道16位DAC的一个例子，该器件提供两个单极性和4个双极性可由软件编程设定的输出电压范围，包括0V至5V、0V至10V、±2.5V、±5V、±10V和-2.5V至7.5V。因此，同一个DAC既可以用于单极性系统也可以用于双极性系统，而无需彻底地重新设定strong。例如，将DAC输出范围从0V至5V改变到±10V，仅需要改变至DAC串行位流中的两个位。
<LTC> 结论
DAC是开环、闭环或"设定后便不需再过问"系统的关键组件。这类系统每一种都需要DAC提供不同级别的准确度和分辨率。在特定分辨率时，总是有一些因素需要权衡，如价格、封装大小、基准准确度和输出阻抗。就最高精确度的系统而言，选择DAC时很重要的是不仅要考虑数据表第一页上提供的位数是多少，还要考虑INL、DNL、偏移误差、增益误差等DC性能规格保证有多高的准确度。
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