40通道14位串行輸入電壓輸出DAC——AD5371的全面解析

在電子設計領域，數模轉換器（DAC）是連接數字世界和模擬世界的關鍵橋梁。今天，我們就來深入探討一款高性能的DAC——AD5371。

文件下載：AD5371.pdf

一、AD5371概述

AD5371是一款集成了40個14位DAC的芯片，采用80引腳LQFP或100球CSP_BGA封裝。它具有以下顯著特點：

1. 高通道數：40個通道的設計，能滿足多通道應用需求，如自動測試設備（ATE）、工業控制系統等。
2. 高精度：保證14位單調性，積分非線性（INL）和微分非線性（DNL）在 -1 到 +1 LSB之間，確保輸出的準確性。
3. 寬輸出電壓范圍：最大輸出電壓跨度可達4 × VREF（20 V），標稱輸出電壓范圍為 -4 V 到 +8 V，且有多組獨立的輸出電壓跨度可供選擇。
4. 靈活的校準和控制：具備系統校準功能，允許用戶編程設置偏移和增益；支持通道分組和尋址，還有熱關斷功能。
5. 高速串行接口：兼容SPI、QSPI?、MICROWIRE?和DSP接口標準，時鐘速度最高可達50 MHz，同時還擁有100 MHz的低電壓差分信號（LVDS）串行接口。

二、性能規格

（一）精度指標

1. 分辨率：14位，提供了較高的分辨率，能夠滿足大多數應用對精度的要求。
2. 線性度：INL和DNL在 -1 到 +1 LSB之間，保證了輸出的線性度，確保信號轉換的準確性。
3. 誤差指標：零刻度誤差和滿刻度誤差在校準前為 -10 到 +10 mV，校準后為 1 LSB；增益誤差為 0.1 % FSR，有效減少了系統誤差。

（二）參考輸入和輸出特性

1. 參考輸入：VREFx輸入電流為 -10 到 +10 μA，范圍為 ±2% ，確保參考電壓的穩定性。
2. 輸出特性：輸出電壓范圍為VSS + 1.4 V到VDD - 1.4 V，負載電流為 -1 到 +1 mA，電容負載可達2200 pF，直流輸出阻抗為0.5 Ω，能夠適應不同的負載條件。

（三）電源要求

1. 電壓范圍：DVCC為2.5 V到5.5 V，VDD為9 V到16.5 V，VSS為 -16.5 V到 -4.5 V，工作電壓范圍較寬，適應不同的電源環境。
2. 電源靈敏度：?Full Scale/?VDD、?Full Scale/?VSS和?Full Scale/?DVCC分別為 -75 dB、 -75 dB和 -90 dB，對電源變化的敏感度較低，保證了系統的穩定性。

（四）交流特性

1. 輸出電壓建立時間：從滿量程變化到穩定在1 LSB內的時間為20 μs，響應速度較快。
2. 壓擺率：為1 V/μs，能夠快速響應輸入信號的變化。
3. 通道間隔離：通道間隔離度為100 dB，有效減少了通道間的干擾。

三、工作原理

（一）DAC架構

AD5371采用14位電阻串DAC架構，后面跟隨輸出緩沖放大器。電阻串部分由等阻值的電阻組成，從VREFx到AGND，這種架構保證了DAC的單調性。數字代碼加載到DAC寄存器后，確定從電阻串的哪個節點提取電壓，再經過輸出放大器放大4倍輸出。

（二）通道分組

40個DAC通道被分為五組，每組八個通道。每組有獨立的參考電壓輸入（VREF0、VREF1、VREF2）和信號地引腳（SIGGND0 - SIGGND4），便于用戶根據不同的應用需求進行靈活配置。

（三）寄存器功能

1. 數據寄存器：每個DAC通道有X1A、X1B、M、C、X2A、X2B等寄存器，用于存儲輸入數據、增益和偏移值等。其中，X2A和X2B寄存器存儲最終校準后的DAC數據，不可直接讀寫。
2. 控制寄存器：控制寄存器的位2控制A/B選擇，位1控制熱關斷功能的啟用，位0控制軟件掉電模式。
3. A/B選擇寄存器：每組八個DAC有一個8位的A/B選擇寄存器，用于控制每個DAC從X2A還是X2B寄存器獲取數據。

（四）輸出放大器

輸出放大器能夠在正電源以下1.4 V和負電源以上1.4 V范圍內擺動，限制了輸出的偏移范圍。在電源上電時，輸出通過開關連接到SIGGNDx，直到CLR信號變高且電源滿足條件后，輸出才會達到編程值。

（五）傳輸函數

DAC的輸出電壓取決于輸入寄存器的值、M和C寄存器的值以及偏移DAC的值。計算公式為： [DAC_CODE = INPUT_CODE times (M + 1) / 2^{14} + C - 2^{13}] [VOUT = 4 times VREFx times (DAC_CODE - OFFSET_CODE) / 2^{14} + V_{SIGGND}]

四、功能特性

（一）校準功能

用戶可以對AD5371進行系統校準，通過計算M和C寄存器的新值并重新編程，將增益和偏移誤差降低到1 LSB以下。具體步驟包括：

1. 降低零刻度誤差：將輸出設置為最低值，測量實際輸出電壓與所需值的差值，計算等效的LSB數并加到C寄存器的默認值。
2. 降低滿刻度誤差：測量零刻度誤差，將輸出設置為最高值，測量實際輸出電壓與所需值的差值，計算等效的LSB數并從M寄存器的默認值中減去。

（二）復位功能

通過RESET引腳觸發復位功能，在RESET上升沿，AD5371狀態機啟動復位序列，將X、M和C寄存器復位到默認值。復位完成后，DAC輸出處于默認寄存器設置指定的電位，直到X、M或C寄存器更新且LDAC變低。

（三）清除功能

CLR是一個低電平有效輸入，正常工作時應保持高電平。當CLR為低電平時，DAC輸出緩沖級的輸入切換到SIGGNDx引腳的電位，LDAC脈沖將被忽略。CLR變高后，DAC輸出恢復到之前的值。

（四）BUSY和LDAC功能

當用戶寫入新數據到X1、C或M寄存器時，X2寄存器的值會重新計算，此時BUSY輸出變低。在此期間，用戶可以繼續寫入數據，但DAC輸出不會更新。LDAC輸入變低時，DAC輸出更新。如果LDAC在BUSY有效時變低，更新事件將被存儲，直到BUSY變高后立即更新。

（五）掉電模式

將控制寄存器的位0設置為1，可使AD5371進入掉電模式，此時DAC關閉，電流消耗降低，DAC輸出連接到SIGGNDx電位。清除掉電位后，DAC恢復到之前的電壓。

（六）熱關斷功能

將控制寄存器的位1設置為1，可啟用熱關斷功能。當芯片溫度超過130°C時，AD5371進入熱關斷模式，相當于設置掉電位為1。

（七）切換模式

每個通道有X2A和X2B兩個寄存器，可用于輕松切換DAC輸出的兩個電平。用戶只需將高低電平寫入X1A和X1B寄存器，計算X2A和X2B的值并存儲。切換時，只需寫入A/B選擇寄存器設置MUX2寄存器位，即可實現八個通道的同時更新。

五、串行接口

（一）SPI接口

SPI接口在2.5 V到3.6 V的DVCC電源下與2.5 V LVTTL兼容，由SYNC、SDI、SCLK和SDO四個引腳控制。SYNC為幀同步輸入，SDI為串行數據輸入，SCLK為時鐘信號，SDO用于數據回讀。

（二）LVDS接口

LVDS接口使用與SPI接口相同的輸入引腳，還提供了三個互補信號引腳。LVDS接口不支持回讀功能。

（三）SPI寫模式

通過串行接口將數據寫入除X2A、X2B和DAC寄存器之外的所有可訪問寄存器。串行字為24位，包括14位數據位、6位地址位、2位模式位和2位保留位。數據在SYNC下降沿開始寫入，至少需要24個SCLK下降沿將24位數據時鐘輸入，SYNC上升沿更新輸入寄存器。

（四）SPI回讀模式

可通過串行接口從除X2A、X2B和DAC數據寄存器之外的所有可訪問寄存器回讀數據。寫入特殊功能代碼00的字，指定要回讀的寄存器，數據在下次SPI操作時從SDO引腳時鐘輸出。

（五）LVDS操作

LVDS接口的操作與SPI接口類似，但由于信號是差分的，當一個信號變高時，其互補信號變低。SYNC信號用于幀同步，數據在SCLK的高到低轉換時時鐘輸入。

六、應用注意事項

（一）電源去耦

為確保AD5371的性能，需要對電源進行充分的去耦。在每個電源引腳附近并聯10 μF和0.1 μF的電容，10 μF電容采用鉭珠類型，0.1 μF電容應具有低ESR和低ESI。同時，要注意模擬和數字部分的布局，避免數字線路在芯片下方布線，減少噪聲耦合。

（二）電源排序

連接電源時，應先將AGND和DGND引腳連接到相應的接地平面，再連接正負極電源。在熱插拔應用中，要特別注意接地引腳的連接順序，防止電流流向異常。

（三）接口示例

AD5371的SPI接口可方便地與行業標準的DSP和微控制器連接。例如，與Analog Devices的Blackfin? DSP連接時，可直接將其集成的SPI端口與AD5371的SPI引腳相連；與ADSP - 21065L DSP連接時，可利用其SPORT端口進行控制。

七、結語

AD5371是一款功能強大、性能優越的DAC芯片，具有高通道數、高精度、寬輸出電壓范圍和靈活的控制功能等特點。在實際應用中，我們需要根據具體需求合理配置寄存器，注意電源去耦和接口連接等問題，以充分發揮其優勢。你在使用AD5371的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。