40通道14位串行输入电压输出DAC——AD5371的全面解析

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，我们就来深入探讨一款高性能的DAC——AD5371。

文件下载：AD5371.pdf

一、AD5371概述

AD5371是一款集成了40个14位DAC的芯片，采用80引脚LQFP或100球CSP_BGA封装。它具有以下显著特点：

1. 高通道数：40个通道的设计，能满足多通道应用需求，如自动测试设备（ATE）、工业控制系统等。
2. 高精度：保证14位单调性，积分非线性（INL）和微分非线性（DNL）在 -1 到 +1 LSB之间，确保输出的准确性。
3. 宽输出电压范围：最大输出电压跨度可达4 × VREF（20 V），标称输出电压范围为 -4 V 到 +8 V，且有多组独立的输出电压跨度可供选择。
4. 灵活的校准和控制：具备系统校准功能，允许用户编程设置偏移和增益；支持通道分组和寻址，还有热关断功能。
5. 高速串行接口：兼容SPI、QSPI™、MICROWIRE™和DSP接口标准，时钟速度最高可达50 MHz，同时还拥有100 MHz的低电压差分信号（LVDS）串行接口。

二、性能规格

（一）精度指标

1. 分辨率：14位，提供了较高的分辨率，能够满足大多数应用对精度的要求。
2. 线性度：INL和DNL在 -1 到 +1 LSB之间，保证了输出的线性度，确保信号转换的准确性。
3. 误差指标：零刻度误差和满刻度误差在校准前为 -10 到 +10 mV，校准后为 1 LSB；增益误差为 0.1 % FSR，有效减少了系统误差。

（二）参考输入和输出特性

1. 参考输入：VREFx输入电流为 -10 到 +10 μA，范围为 ±2% ，确保参考电压的稳定性。
2. 输出特性：输出电压范围为VSS + 1.4 V到VDD - 1.4 V，负载电流为 -1 到 +1 mA，电容负载可达2200 pF，直流输出阻抗为0.5 Ω，能够适应不同的负载条件。

（三）电源要求

1. 电压范围：DVCC为2.5 V到5.5 V，VDD为9 V到16.5 V，VSS为 -16.5 V到 -4.5 V，工作电压范围较宽，适应不同的电源环境。
2. 电源灵敏度：∆Full Scale/∆VDD、∆Full Scale/∆VSS和∆Full Scale/∆DVCC分别为 -75 dB、 -75 dB和 -90 dB，对电源变化的敏感度较低，保证了系统的稳定性。

（四）交流特性

1. 输出电压建立时间：从满量程变化到稳定在1 LSB内的时间为20 μs，响应速度较快。
2. 压摆率：为1 V/μs，能够快速响应输入信号的变化。
3. 通道间隔离：通道间隔离度为100 dB，有效减少了通道间的干扰。

三、工作原理

（一）DAC架构

AD5371采用14位电阻串DAC架构，后面跟随输出缓冲放大器。电阻串部分由等阻值的电阻组成，从VREFx到AGND，这种架构保证了DAC的单调性。数字代码加载到DAC寄存器后，确定从电阻串的哪个节点提取电压，再经过输出放大器放大4倍输出。

（二）通道分组

40个DAC通道被分为五组，每组八个通道。每组有独立的参考电压输入（VREF0、VREF1、VREF2）和信号地引脚（SIGGND0 - SIGGND4），便于用户根据不同的应用需求进行灵活配置。

（三）寄存器功能

1. 数据寄存器：每个DAC通道有X1A、X1B、M、C、X2A、X2B等寄存器，用于存储输入数据、增益和偏移值等。其中，X2A和X2B寄存器存储最终校准后的DAC数据，不可直接读写。
2. 控制寄存器：控制寄存器的位2控制A/B选择，位1控制热关断功能的启用，位0控制软件掉电模式。
3. A/B选择寄存器：每组八个DAC有一个8位的A/B选择寄存器，用于控制每个DAC从X2A还是X2B寄存器获取数据。

（四）输出放大器

输出放大器能够在正电源以下1.4 V和负电源以上1.4 V范围内摆动，限制了输出的偏移范围。在电源上电时，输出通过开关连接到SIGGNDx，直到CLR信号变高且电源满足条件后，输出才会达到编程值。

（五）传输函数

DAC的输出电压取决于输入寄存器的值、M和C寄存器的值以及偏移DAC的值。计算公式为： [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）校准功能

用户可以对AD5371进行系统校准，通过计算M和C寄存器的新值并重新编程，将增益和偏移误差降低到1 LSB以下。具体步骤包括：

1. 降低零刻度误差：将输出设置为最低值，测量实际输出电压与所需值的差值，计算等效的LSB数并加到C寄存器的默认值。
2. 降低满刻度误差：测量零刻度误差，将输出设置为最高值，测量实际输出电压与所需值的差值，计算等效的LSB数并从M寄存器的默认值中减去。

（二）复位功能

通过RESET引脚触发复位功能，在RESET上升沿，AD5371状态机启动复位序列，将X、M和C寄存器复位到默认值。复位完成后，DAC输出处于默认寄存器设置指定的电位，直到X、M或C寄存器更新且LDAC变低。

（三）清除功能

CLR是一个低电平有效输入，正常工作时应保持高电平。当CLR为低电平时，DAC输出缓冲级的输入切换到SIGGNDx引脚的电位，LDAC脉冲将被忽略。CLR变高后，DAC输出恢复到之前的值。

（四）BUSY和LDAC功能

当用户写入新数据到X1、C或M寄存器时，X2寄存器的值会重新计算，此时BUSY输出变低。在此期间，用户可以继续写入数据，但DAC输出不会更新。LDAC输入变低时，DAC输出更新。如果LDAC在BUSY有效时变低，更新事件将被存储，直到BUSY变高后立即更新。

（五）掉电模式

将控制寄存器的位0设置为1，可使AD5371进入掉电模式，此时DAC关闭，电流消耗降低，DAC输出连接到SIGGNDx电位。清除掉电位后，DAC恢复到之前的电压。

（六）热关断功能

将控制寄存器的位1设置为1，可启用热关断功能。当芯片温度超过130°C时，AD5371进入热关断模式，相当于设置掉电位为1。

（七）切换模式

每个通道有X2A和X2B两个寄存器，可用于轻松切换DAC输出的两个电平。用户只需将高低电平写入X1A和X1B寄存器，计算X2A和X2B的值并存储。切换时，只需写入A/B选择寄存器设置MUX2寄存器位，即可实现八个通道的同时更新。

五、串行接口

（一）SPI接口

SPI接口在2.5 V到3.6 V的DVCC电源下与2.5 V LVTTL兼容，由SYNC、SDI、SCLK和SDO四个引脚控制。SYNC为帧同步输入，SDI为串行数据输入，SCLK为时钟信号，SDO用于数据回读。

（二）LVDS接口

LVDS接口使用与SPI接口相同的输入引脚，还提供了三个互补信号引脚。LVDS接口不支持回读功能。

（三）SPI写模式

通过串行接口将数据写入除X2A、X2B和DAC寄存器之外的所有可访问寄存器。串行字为24位，包括14位数据位、6位地址位、2位模式位和2位保留位。数据在SYNC下降沿开始写入，至少需要24个SCLK下降沿将24位数据时钟输入，SYNC上升沿更新输入寄存器。

（四）SPI回读模式

可通过串行接口从除X2A、X2B和DAC数据寄存器之外的所有可访问寄存器回读数据。写入特殊功能代码00的字，指定要回读的寄存器，数据在下次SPI操作时从SDO引脚时钟输出。

（五）LVDS操作

LVDS接口的操作与SPI接口类似，但由于信号是差分的，当一个信号变高时，其互补信号变低。SYNC信号用于帧同步，数据在SCLK的高到低转换时时钟输入。

六、应用注意事项

（一）电源去耦

为确保AD5371的性能，需要对电源进行充分的去耦。在每个电源引脚附近并联10 μF和0.1 μF的电容，10 μF电容采用钽珠类型，0.1 μF电容应具有低ESR和低ESI。同时，要注意模拟和数字部分的布局，避免数字线路在芯片下方布线，减少噪声耦合。

（二）电源排序

连接电源时，应先将AGND和DGND引脚连接到相应的接地平面，再连接正负极电源。在热插拔应用中，要特别注意接地引脚的连接顺序，防止电流流向异常。

（三）接口示例

AD5371的SPI接口可方便地与行业标准的DSP和微控制器连接。例如，与Analog Devices的Blackfin® DSP连接时，可直接将其集成的SPI端口与AD5371的SPI引脚相连；与ADSP - 21065L DSP连接时，可利用其SPORT端口进行控制。

七、结语

AD5371是一款功能强大、性能优越的DAC芯片，具有高通道数、高精度、宽输出电压范围和灵活的控制功能等特点。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理配置寄存器，注意电源去耦和接口连接等问题，以充分发挥其优势。你在使用AD5371的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。