一種有效提高D/A轉換器線性指標與解析度的方法

    數模轉換器是將接收到的數字信號轉換成模擬信號，在系統設計中，其精度非常重要。通常的數模轉換器8～16位，目前市場上僅有幾款18位數模轉換器，但均為音頻專用晶元，不適合開發儀器儀錶，且價格昂貴。我們採用普通的16位和12位數模轉換器AD569與ADC1210設計了一款高解析度的數模轉換器。實驗表明，AD569和ADC1210的短期穩定性很高。將AD569輸出作為主通道，ADC1210輸出作為輔助通道，兩者通過比例電阻和運算放大器進行求和，濾波后輸出電壓的解析度可達10 uV，相當於20位的D/A轉換器，且滿度輸出達到10V，非常適合儀器儀錶的設計需要。

電路原理
    電路如圖1所示，外部基準LM369提供10V基準電壓，AD569輸出作為主通道轉換的電壓，與作為輔助通道的ADC1210輸出電壓在IC2的輸入端疊加，疊加比例為1000:1。因為AD569是16位的D/A，其解析度為10×1/(2¹⁶-1)=0.15mV，而12位ADC1210的解析度為10×1/(2¹²-1)=2.4mV。電路中，理論上用ADC1210的轉換電壓的1/1000(2.4/1000=0.0024mV)去補償AD569的0.15mV的最小解析度。如此可知，理論上完全可以實現10 uV(0.01mV)的最小解析度的設計指標。
 

電路設計注意的問題
電源與外部基準
    雖然，D/A轉換器的精度主要決定於解析度，但是其前提條件是電源及參考電源必須穩定，否則達不到應有的精度、本設計方案中採用的AD569和ADC1210均採用外部10V基準，因此對該基準的穩定性有較高的要求，設計中採用的LM369是一種帶有溫度補償功能的高性能10V基準器件，其溫度係數為2 uV/℃ ，穩定度是6×10^-6/年。所以LM369構成的基準電路完全勝任本設計指標對D/A基準的嚴格要求。
    電源電路的要求當然是越穩定、紋波越小越好。本設計中採用預穩壓方式為D/A轉換器供電，電路如圖2所示。
 
    圖2中預穩壓由ZF402實現，ZF402可產生高穩定度的正負電壓，年穩定度優於30×10^-6。

ADC1210應用
    ADC12l0是一個12位D/A轉換器晶元，24腳雙列直插式封裝，輸入端與TTL兼容，該晶元主要特性為：解析度為12位；具有雙寄存器結構，可對輸入數據進行雙重緩衝；與微處理器兼容，介面方便；建立時間為1 us，轉換速度快；線性度好，溫漂小；外接±10V的基準電壓，工作電源+5～+15V；功耗低，約20mW；電流輸出型D/A轉換器。
    ADC1210內部12位輸入寄存器由一個8位寄存器和一個4位寄存器組成，4位寄存器的輸入允許端LE受/CS、/WRI控制，8位寄存器的輸入允許端LE除受//CS、/WRI控制外，還受BYTE1、/BYTE2控制，當/CS、/WR1同為低電平時，若BYTE1、/BYTE2為高電平時，兩個寄存器的LE端均有效，輸入的12位數據可進入12位輸入寄存器若BYTE1、/BYTE2為低電平時，則只有4位寄存器選通，使低4位輸入數據進入輸入寄存器。文中ADC1210與80C51的P0口8位數據匯流排相連，即DB11～DB4接數據匯流排D7～D0，DB3～DB0接D3～D0，顯然，12位輸入數據應分為兩次寫入。由於4位寄存器的LE端只取決於/CS、/WRI，所以兩次寫入都會寫入4位寄存器。為了使4位寄存器的有效輸入數據不致於被第二次寫操作破壞，應將此數據在第二次寫操作時寫入，所以，兩次寫入應先對8位寄存器寫入，此時應使BYTE1、/BYTE2為高電平：8位數據輸入后，使BYTE1、/BYTE2端為低電平，進行第二次寫入，此時只輸入4位數據到4位寄存器中BYTE1、/BYTE2的選通由89C51的P2.2口線來控制。當12位輸入數據進入12位輸入寄存器后，再選通12位DAC寄存器將輸入數據送至12位D/A轉換器進行D/A轉換。

AD569的應用
    AD569是一個16位D/A轉換器晶元，28腳雙列直插式封裝，輸入端與TTL兼容，該晶元主要特性為：解析度為16位；非線性誤差為0.01％；微處理器兼容，介面方便；建立時間為3us，轉換速度快；線性度好，溫漂小；外接±10V的基準電壓，工作電源+5～+15V。
    同ADC1210一樣，AD569也與80C51的P0口8位數據匯流排相連，即DB0～DB7與DB8～D15復用89C51的數據匯流排D7～D0，顯然，16位輸入數據應分為兩次寫入。低8位與高8位的寫入控制由89C51的P2.1和P2.0口線來控制。當16位輸入數據輸入寄存器后，再選通16位DAC寄存器將輸入數據送至16位D/A轉換器進行數模轉換。
    實踐表明，AD569使用±15V電源，引入的電源雜訊將嚴重影響輸出電壓的穩定度，因此，建議在這兩組電源與地之間分別併入一個4.7 uF的鉭電容來解決這個問題。

比例加法器的設計與調零電路的設置
    首先，本文電路設計的關鍵部分之一是比例電阻的選擇.設計中採用的比例係數確定為1000:1，因此，電阻選擇RX73精密線繞電阻10MΩ和10kΩ阻值的。為了進一步保障解析度的準確性，這些電阻在使用前一定要做如下處理和檢驗：
(1)用精密測試設備，準確測試電阻阻值。
(2)將多隻選擇好的電阻連續加電後放置40℃的恆溫箱72小時，進行溫度老化處理。
(3)在可調溫度的恆溫裝置中測定電阻的溫度係數，從中選擇溫度影響趨勢一致，且溫度係數一致的兩種阻值的電阻，作為比例電阻。
    通過以上的處理，可以基本減小由於比例電阻性能變化對比例係數的影響。其次，運放選擇了F07A，它的開環增益大於106；輸偏量電流小於0.1nA，溫漂0.2 uV/℃，時漂0.2 uV/月，失調電壓可調至±10 uV之內，這些參數對輸出的影響均可忽略不計。
    最後，由於AD569與ADC1210組合輸出，其中ADC1210能夠補償的範圍應在0.1～0.01mV，因此要求ADC1210必須可進行正負兩個方向的補償，所以，設計中將ADC1210轉換中值點即2048個數位處設置為零位，由於此時ADC1210的輸出接近5V，比例調節后也為0.005V，因此為了使合成后的輸出電壓對應零位，要求AD569輸出0.005V的電壓且與ADC1210的輸出反向，從而抵消ADC1210零點沒置的電壓輸出。但實際中，不可能完全將零位電壓補償為零，因此必須設置外部調零電路，電路如圖3所示。
 

D/A轉換程序
    本設計為了方便進行D/A性能測試，設置了一個7位的可增減式鍵盤和7位數碼顯示，即每位數碼管下對應一組增減鍵。數碼管的作用是顯示設定的轉換電壓值，對應0～10V顯示。
    鍵盤和顯示部分由顯示控制晶元HD7279A組成，HD7279A是8位LED數碼管及64鍵鍵盤智能控制晶元，由於該器件是串列通訊方式，所以簡化了與AT89C51之間的連線。
    轉換程序由C語言編寫，主要包括主程序、AD569與ADC1210初始化序、鍵盤設置和顯示程序、D/A轉換調整子程序。
    由於AD569自身線性誤差的局限，因此在0～10V的寬輸出範圍內不可能滿足設計要求，因此在軟體設計中必須進行修正處理，使AD569與ADC1210一起進行轉換，通過預設的修正參數來補償D/A轉換的輸出，修正的基本原則分析如下：由於AD569的線性指標儀為0.1％，因此，我們在使用中，可保留AD569轉換值的有效位，經測試，使用本文中的10V基準，AD569轉換輸出電壓準確到分位。表1是AD569測試考核數據。

    由表中數據可知，轉換后的電壓可準確到分位，因此可以通過給569設定值乘一個比例係數將轉換電壓準確到千分位(如表中1.0000對應的0.9974調整為0.999XX)。這樣在修正時，只要修正萬分位以後的值即可，這項工作可由ADC1210來完成，也就是利用1210轉換電壓的前兩位數字去修正，由於1210的解析度為2.4mv，因此在使用10V基準時，其前兩位是絕對準確的。由於1210轉換值通過1000:1的比例電路與569的轉換值相加，因此1210轉換值的前兩位正好為0.000XX～0.001XX，設計中1210的初始設定在5.000V位置，則對應修正範圍為：-0.0005X V～0.0005X V。因此，修正後的轉換電壓準確度可保障在十萬分位。但是，由於AD569轉換的電壓在萬分位以後是沒有太好的規律可循的，因此應採用分段修正，本文設計中對AD569轉換電壓分100段進行了修正。

測試數據與結果分析
    對採用上述方案研製出的D/A轉換板進行了測試。測試設備採用FLUKE 734B固態電壓標準(1V與10V輸出，不確定度小於1.5×10^-6)，通過FLUKE720分壓器(不確定度小於1×10^-6)與D/A 的輸出電壓在FLUKE845指零儀(解析度0.01 uV)上對比，表2是該D/A轉換器的買際測量數據。
    實測數據表明：輸出範圍為0～+10V，FS=10V；解析度為10 uV；線性(修正後)為<0.001％(滿度)；準確性為<0.001％ 。
    該轉換電路的設計，提高了電壓的轉換精度和解析度，對儀器儀錶的研製具有非常重要的意義。