在電子工程師的日常工作中，數模轉換器（DAC）是不可或缺的關鍵組件，它能將數字信號轉換為模擬信號，廣泛應用于各種電子設備中。今天，我們就來深入探討TI公司的DAC081S101這款8位微功耗數模轉換器，看看它有哪些獨特之處和應用場景。

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一、產品概述

DAC081S101是一款功能齊全、通用的8位電壓輸出數模轉換器，它可以在+2.7V至+5.5V的單電源下工作，在3.6V電壓時僅消耗175μA的電流，具有低功耗的顯著優勢。其片上輸出放大器支持軌到軌輸出擺幅，三線串行接口在指定電源電壓范圍內的時鐘速率最高可達30MHz，并且與標準的SPI?、QSPI、MICROWIRE和DSP接口兼容。相比之下，同類競爭設備在2.7V至3.6V電源電壓范圍內的時鐘速率限制在20MHz。

二、產品特性

（一）性能保障

• 單調性保證：確保輸出信號隨輸入代碼的增加而單調變化，避免了輸出信號的波動和不穩定，為系統的穩定性提供了保障。
• 軌到軌電壓輸出：輸出電壓范圍能夠覆蓋電源電壓的整個范圍，即從0V到電源電壓$V_{A}$，提供了更寬的動態范圍，適用于多種不同的應用場景。
• 上電復位至零伏輸出：在上電時，DAC輸出自動復位到零伏，直到有有效的寫入操作，這有助于系統的初始化和穩定啟動。

（二）電源與功耗優勢

• 寬電源范圍：支持+2.7V至+5.5V的電源電壓范圍，增加了產品的靈活性，使其能夠適應不同的電源環境。
• 低功耗運行：正常模式下功耗低，例如在3.6V時功耗為0.63mW（典型值），并且具有掉電功能，可將功耗降低到小于1微瓦，非常適合電池供電的設備。

（三）接口與功能特點

• 三線串行接口：與多種標準接口兼容，方便與各種微處理器和DSP進行連接，簡化了系統設計。
• SYNC中斷功能：提供了靈活的同步和控制機制，允許在特定條件下中斷寫入序列，提高了系統的響應速度和控制精度。

三、應用領域

（一）電池供電儀器

由于其低功耗和小封裝的特點，DAC081S101非常適合用于電池供電的儀器，如便攜式測量設備、手持醫療設備等，能夠有效延長電池的使用壽命。

（二）數字增益和失調調整

在信號處理系統中，可用于精確調整增益和失調，提高系統的精度和穩定性。

（三）可編程電壓和電流源

能夠根據需要生成可編程的電壓和電流輸出，滿足不同應用對電源的多樣化需求。

（四）可編程衰減器

在通信和音頻系統中，可作為可編程衰減器使用，實現信號的精確衰減和調節。

四、關鍵規格參數

這些參數反映了DAC081S101的高精度和高性能，為工程師在設計系統時提供了重要的參考依據。

五、功能描述

（一）DAC部分

DAC081S101采用CMOS工藝制造，其架構由開關和電阻串組成，后面跟隨一個輸出緩沖器。電源電壓作為參考電壓，輸入編碼為直二進制，理想輸出電壓為$V{OUT}=V{A} x(D / 256)$，其中D是加載到DAC寄存器的二進制代碼的十進制等效值，范圍為0到255。

（二）電阻串

電阻串由4096個等值電阻組成，每個電阻節點都有一個開關，還有一個接地開關。加載到DAC寄存器的代碼決定了哪個開關閉合，將相應的節點連接到放大器，這種配置保證了DAC的單調性。

（三）輸出放大器

輸出緩沖放大器為軌到軌類型，輸出電壓范圍為0V到$V{A}$。不過，即使是軌到軌放大器，當輸出接近電源軌（0V和$V{A}$）時，也會出現線性度損失。因此，線性度是在小于DAC全輸出范圍的范圍內指定的。

（四）串行接口

三線接口與SPI、QSPI和MICROWIRE以及大多數DSP兼容。寫入序列從將$SYNC$線拉低開始，此時$D{IN}$線上的數據在$SCLK$的下降沿被時鐘輸入到16位串行輸入寄存器。在第16個下降時鐘沿，最后一位數據被時鐘輸入，編程功能（操作模式的改變和/或DAC寄存器內容的改變）被執行。$SYNC$線可以保持低電平或拉高，但在下一次寫入序列之前，必須拉高到指定的最小時間，因為$SYNC$的下降沿用于啟動下一次寫入周期。為了最小化功耗，$SYNC$和$D{IN}$緩沖器在寫入序列之間應閑置為低電平。

（五）輸入移位寄存器

輸入移位寄存器有16位，前兩位為“無關位”，后面兩位決定操作模式（正常模式或三種掉電模式之一）。串行輸入寄存器的內容在$SCLK$的第16個下降沿傳輸到DAC寄存器。通常情況下，$SYNC$線應保持低電平至少16個$SCLK$下降沿，DAC在第16個$SCLK$下降沿更新。如果$SYNC$在第16個下降沿之前被拉高，移位寄存器將被復位，寫入序列無效，DAC寄存器不會更新，操作模式和輸出電壓也不會改變。

（六）上電復位

上電復位電路在上電期間控制輸出電壓，上電時DAC寄存器被填充為零，輸出電壓為0V，直到對DAC進行有效的寫入序列。

（七）掉電模式

DAC081S101有四種操作模式，通過控制寄存器中的兩位（DB13和DB12）設置。當DB13和DB12都為0時，設備正常運行；對于其他三種組合，電源電流降至掉電水平，輸出通過1kΩ或100KΩ電阻下拉，或處于高阻抗狀態。在任何掉電模式下，偏置發生器、輸出放大器、電阻串和其他線性電路都會關閉，但DAC寄存器的內容不受影響，退出掉電模式后，輸出電壓將恢復到進入掉電模式之前的電壓。在掉電模式下，禁用$SCLK$并將$SYNC$和$D{IN}$閑置為低電平可實現最小功耗，退出掉電時間（喚醒時間）通常為$t{wu}$微秒。

六、應用信息

（一）與微處理器和DSP接口

1. ADSP - 2101/ADSP2103接口

將DAC081S101與ADSP - 2101/ADSP2103連接時，DSP應設置為SPORT傳輸交替幀模式，通過SPORT控制寄存器進行編程，配置為內部時鐘操作、低電平有效幀和16位字長。在SPORT模式啟用后，通過向Tx寄存器寫入一個字來啟動傳輸。

2. 80C51/80L51接口

DAC081S101與80C51/80L51微控制器的串行接口中，$SYNC$信號來自微控制器的可編程引腳（如P3.3）。由于80C51/80L51傳輸8位字節，傳輸周期中只有8個下降時鐘沿。要將數據加載到DAC，在傳輸前8位數據后，P3.3線必須保持低電平，然后發起第二個寫入周期傳輸第二個字節數據，最后將P3.3線拉高。同時，80C51/80L51傳輸數據是LSB優先，而DAC081S101需要MSB優先，因此傳輸程序需要進行相應處理。

3. 68HC11接口

DAC081S101與68HC11微控制器連接時，DAC081S101的$SYNC$線由端口線（如PC7）驅動。68HC11應將CPOL位配置為0，CPHA位配置為1，使MOSI輸出的數據在$SCLK$的下降沿有效。PC7拉低以向DAC傳輸數據，68HC11以8位字節傳輸數據，MSB優先。在傳輸前8位數據后，PC7必須保持低電平，發起第二個寫入周期傳輸第二個字節數據，然后將PC7拉高結束寫入序列。

4. Microwire接口

與Microwire兼容設備的接口中，數據在$SCLK$信號的上升沿時鐘輸出。

（二）使用參考源作為電源

由于DAC081S101使用電源電壓作為參考電壓，需要提供無噪聲的電源。由于其功耗極低，可以使用參考源作為電源，相比電壓調節器，參考源具有更高的精度和穩定性。以下是幾種適合的電源選項：

1. LM4130

LM4130參考源在溫度范圍內具有0.05%的精度，是DAC081S101的良好電源選擇。其缺點是沒有3V和5V版本，但4.096V版本在需要0到4.095V輸出范圍的應用中很有用。通過在LM4130的$V{IN}$引腳旁路一個0.1μF電容，在$V{OUT}$引腳旁路一個2.2μF電容，可以提高穩定性并降低輸出噪聲。LM4130采用節省空間的5引腳SOT23封裝。

2. LM4050

LM4050并聯參考源的精度為0.44%，也是DAC081S101的不錯電源調節器選擇。它沒有3V版本，但有4.096V和5V版本，采用節省空間的3引腳SOT - 23封裝。在使用時，需要根據輸入電壓、LM4050的輸出電壓和電流要求選擇合適的電阻值，以確保LM4050的電流不超過其額定值。

3. LP3985

LP3985是一款低噪聲、超低壓差電壓調節器，在溫度范圍內精度為3%，適合不需要高精度參考的DAC081S101應用。它有3.0V、3.3V和5V等多種版本，在低頻下具有低至30μV的噪聲規格，對于一些對低頻噪聲敏感的應用很重要。LP3985采用節省空間的5引腳SOT - 23和5凸點DSBGA封裝。在使用時，輸入需要一個1.0μF的電容，輸出需要一個1.0μF的陶瓷電容，且ESR要求為5mΩ到500mΩ。

4. LP2980

LP2980是一款超低壓差調節器，根據等級不同，在溫度范圍內精度為0.5%或1.0%，有3.0V、3.3V和5V等多種版本。與其他低壓差調節器一樣，LP2980需要一個輸出電容來保證環路穩定性，輸出電容至少為1.0μF，2.2μF或更大的值會提供更好的性能，電容的ESR應在LP2980數據手冊規定的范圍內。表面貼裝固體鉭電容是一個不錯的選擇，陶瓷電容雖然尺寸小，但ESR值通常過低，不適合與LP2980一起使用，鋁電解電容尺寸大，在低溫下ESR值可能過高，也不是理想的選擇。

（三）雙極性操作

DAC081S101設計用于單電源操作，輸出為單極性。但通過特定電路可以實現雙極性輸出，例如圖45所示的電路可以提供±5V的輸出電壓范圍。如果放大器電源限制在±5V，應使用軌到軌放大器。該電路的輸出電壓公式為$V{O}=(V{A} \times(D / 256) \times((R1 + R2) / R1) - V{A} × R2 / R1)$，當$V{A}=5V$且$R1 = R2$時，$V_{O}=(10 × D / 256) - 5V$。適合該應用的軌到軌放大器包括LMC7111、LM7301和LM8261等。

（四）布局、接地和旁路

為了獲得最佳精度和最小噪聲，包含DAC081S101的印刷電路板應具有獨立的模擬和數字區域，由模擬和數字電源平面的位置定義，這兩個平面應位于同一電路板層，并且最好使用單一接地平面。如果數字返回電流不流經模擬接地區域，單一接地平面是首選；如果需要，可以使用“圍欄”技術防止模擬和數字接地電流混合；只有在“圍欄”技術不足時才使用單獨的接地平面，且兩個接地平面必須在一處連接，最好靠近DAC081S101。同時，要特別注意確保快速邊沿速率的數字信號不跨越分割的接地平面，它們必須始終有連續的返回路徑。DAC081S101的電源應使用10μF和0.1μF的電容進行旁路，0.1μF電容應盡可能靠近設備的電源引腳，10μF電容應為鉭電容，0.1μF電容應為低ESL、低ESR類型。DAC081S101的電源應僅用于模擬電路，避免模擬和數字信號交叉，時鐘和數據線應位于電路板的元件側，并具有可控的阻抗。

七、總結

DAC081S101以其低功耗、寬電源范圍、高精度和靈活的接口等優點，在電池供電設備、信號處理、電源控制等領域具有廣泛的應用前景。在設計過程中，工程師需要根據具體的應用需求，合理選擇電源、接口方式和布局方案，以充分發揮DAC081S101的性能優勢。同時，對于雙極性操作和布局接地等細節問題，也需要給予足夠的重視，確保系統的穩定性和可靠性。大家在使用DAC081S101的過程中，有沒有遇到過一些獨特的問題或者有什么創新的應用呢？歡迎在評論區分享交流。