DAC1221：16位低功耗数模转换器的深度解析

在电子设计领域，数模转换器（DAC）是连接数字世界和模拟世界的关键桥梁。今天，我们要深入探讨的是Burr - Brown公司的DAC1221，一款16位低功耗的数模转换器，它在工业过程控制、测试测量等多个领域都有着广泛的应用。

文件下载：dac1221.pdf

一、产品概述

1.1 关键特性

• 高精度与稳定性：在 - 40°C 至 +85°C 的温度范围内保证16位单调性，最大线性误差仅为30ppm，能够提供高精度的模拟输出。
• 低功耗设计：功耗仅为1.2mW，非常适合电池供电的便携式仪器和对功耗要求较高的应用场景。
• 快速响应：电压输出建立时间为2ms至0.012%，能够快速响应数字输入的变化。
• 片上校准：内置校准电路，可显著降低失调和增益误差，提高转换精度。

1.2 应用领域

DAC1221的应用十分广泛，涵盖了过程控制、门控电子、闭环伺服控制、智能变送器、便携式仪器以及压控振荡器（VCO）控制等多个领域。

二、技术原理

2.1 模拟操作

DAC1221采用了二阶Delta - Sigma调制器、一阶开关电容滤波器和二阶连续时间后置滤波器的设计拓扑。系统时钟经过分频后为调制器提供采样时钟，调制器将多位数字输入转换为1位数字输出流，再通过1位DAC转换为模拟信号，最后经过滤波器处理。这种设计不仅提供了固有的线性度，还能有效降低系统噪声和提高电源抑制比。

2.2 数字操作

通过8位指令码（INSR）和16位命令码（CMR）的同步串行接口，可对DAC1221的各种设置、模式和寄存器进行读写操作。该接口作为外部时钟接口，方便与微控制器和数字信号处理器连接。

三、寄存器详解

3.1 指令寄存器（INSR）

每次串行通信都从发送8位的INSR开始，它定义了读写操作、字节数和起始寄存器地址。通过合理设置这些位，可以实现对不同寄存器的读写操作。

3.2 命令寄存器（CMR）

CMR控制着DAC1221的所有功能，包括自适应滤波器的启用或禁用、输出在校准期间的连接或隔离、数据输入寄存器的清零等。通过设置不同的位，可以灵活配置DAC1221的工作模式。

3.3 校准寄存器

• 偏移校准寄存器（OCR）：24位寄存器，包含用于校正数字输入的偏移校正因子。自校准过程的结果会写入该寄存器，可通过串行接口进行读写操作。
• 满量程校准寄存器（FCR）：同样是24位寄存器，包含满量程校正因子。其内容可以是自校准的结果，也可以由用户写入。

3.4 数据输入寄存器（DIR）

16位寄存器，包含下一次转换的数字输入值。在发送最后一个字节的最后一位的下降沿，该寄存器会被锁存，其内容随后被加载到调制器中。

四、工作模式

4.1 自校准模式

将“01”写入命令寄存器的操作模式位（MD1和MD0），即可启动自校准。校准过程大约需要300ms至500ms（$f_{XIN}=2.5 MHz$），完成后偏移和增益误差将得到校正。

4.2 睡眠模式

将“10”写入CMR的操作模式位（MD1和MD0），DAC1221将进入睡眠模式。在此模式下，仍可进行通信，当模式改变时，需要考虑内部电路的上电序列和外部电路的稳定时间。

五、串行接口与时序

5.1 接口特点

DAC1221的串行接口具有灵活性，可通过多种方式与微控制器和数字信号处理器连接。同时，它也提供了简单的隔离方法，如两线隔离接口。

5.2 时序要求

最大串行时钟频率不能超过DAC1221 $X{IN}$ 频率的十分之一。文档中详细定义了基本的数字时序特性，包括 $X{IN}$ 输入信号和串行接口信号（SCLK、SDIO和CS）的时序要求。

六、布局与电源考虑

6.1 电源供应

数字电源（$DV{DD}$）不能比模拟电源（$AV{DD}$）高0.3V，通常应先启动模拟电源，再启动数字电源和 $V_{REF}$。为了降低噪声，模拟电源应进行良好的调节，而数字电源的要求相对宽松，但需注意高频噪声的耦合问题。

6.2 接地设计

模拟和数字部分应进行清晰的分区，分别连接到各自的接地平面。对于单个转换器系统，AGND和DGND应在转换器下方连接；对于多个转换器系统，应在一个中心点连接两个接地平面。

6.3 去耦措施

使用良好的去耦电容，将0.1µF陶瓷电容尽可能靠近引脚放置。对于 $AV_{DD}$ ，应使用1µF至10µF电容与0.1µF陶瓷电容并联进行去耦。

七、总结

DAC1221以其高精度、低功耗和灵活的配置特性，成为工业过程控制、测试测量等领域的理想选择。在设计过程中，我们需要深入理解其工作原理、寄存器配置、工作模式以及布局和电源要求，以充分发挥其性能优势。同时，在实际应用中，还需根据具体需求进行合理的参数设置和优化，确保系统的稳定性和可靠性。各位工程师在使用DAC1221时，不妨多思考如何根据实际情况进行调整，以达到最佳的设计效果。你在使用类似数模转换器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。