开环、闭环和“设定后便不需再过问”系统的核心

    当选择数模转换器 (DAC) 时，设计师可以从种类繁多的 IC 中选择。DAC 可以针对具体的应用划分成很多不同类别。不过，DAC 的划分也可以简化，仅分成 DC 或低速调节所需的 DAC和产生高速波形所需的 DAC。 本文专注于低速应用所需的 DAC，而无论该应用是低分辨率还是高分辨率、是粗略调节还是精细调节。

　　就选择低速 DAC 而言，决定设计是闭环、开环或"设定后便不需再过问"的系统是很重要。每一种设计都需要一个具某些关键性能规格的 DAC。

　　闭环系统

　　闭环系统包括一条反馈通路，以检测和校准任何误差。传感器根据诸如伺服电动机、流量阀或温度检测单元等的物理参数监视输出。然后传感器将数据馈送回控制器，而控制器则利用这个信息决定是否需要校正。

　　DAC 和模数转换器 (ADC) 是位于闭环系统核心的关键组件。DAC 用在前馈通路中以调节系统，ADC 用在反馈通路中，以监视这些调节的效果。它们一起施加和检测模拟控制信号，以真实地调节它们控制的参数。

　　电动机控制是这类闭环系统的一个例子，如图 1 中详细说明的那样。首先，将一个想要的输出 (设定点) 加到控制器上，控制器对这个输出和反馈信号进行比较。如果需要校正，那么控制器会调节 DAC 的输入编码，然后 DAC 在其输出端产生一个模拟电压。该 DAC 的输出电压通过一个功率放大器放大，以给电动机提供所需的驱动电流。

图 1：闭环系统举例

　　在这个闭环系统的下一级，用一个转速计测量电动机的旋转速度。旋转信号是该闭环系统的实际输出或可变过程。ADC 将该转速计的输出数字化，并将数据发送到控制器，在控制器中，由算法决定是否需要在 DAC 输出以及最终的电动机上进行任何校正。采用这种方式，误差被降到可接受的水平。理想情况下，反馈允许闭环系统消除所有误差，从而有效地限制噪声、温度、外力或其他不想要的信号等任何误差来源的影响。

　　闭环系统的性能取决于准确的反馈通路，包括传感器和 ADC。本质上，反馈通路补偿了前馈通路的误差。因为 DAC 在前馈通路中，其积分非线性 (INL) 误差就自动得到了补偿。INL 误差是 DAC 输出端实际的传递函数与理想传递函数之间的偏差。不过，DAC 必须有良好的差分非线性 (DNL)，并且必须相对于数据表中规定的位数呈单调性。DNL 误差是 DAC 模拟输出端的实际电压变化与理想电压步进 (等于 DAC 输入编码中 1 个最低有效位 (LSB) 步进) 之差。单调的 DAC 意味着，模拟输出始终随着数字编码的提高而提高或保持与其相同 (反之亦然)。始终大于 -1LSB 的 DNL 规格意味着单调性。图 2 显示 DAC 模拟输出电压相对于 DAC 输入编码的传递函数。

　　如果 DAC 不是单调的，那么会存在一个负反馈变成正反馈的区域。这可能导致振荡，而振荡最终可能毁坏电动机。

图 2：DNL 传递函数

　　开环系统

　　开环系统没有反馈通路。这意味着，系统自身必须是准确的。开环控制对于良好定义的系统是有用的，在这类系统中，输入编码及其在负载上所导致行动之间的关系是已知的。如果负载不是非常可预测的，那么最好使用闭环控制。

　　开环系统的一个例子如图3所示。在这个例子中，DAC 驱动凌力尔特稳压器 LT3080 的 SET 电压引脚。SET 引脚是误差放大器的输入和输出电压的调节设定点。LT3080 的输出电压范围为 0V 至绝对最大额定输出电压。

　　DAC 的分辨率决定 SET 引脚调节的步进大小。例如，一个具有 5V 基准的 8 位 DAC 有 5V / 28 = 19.5mV 的 LSB。一个具有同样 5V 基准的 12 位 DAC 有 1.2mV 的 LSB，一个 16 位 DAC 有 76µV 的 LSB。这意味着，就一个理想 DAC 而言，数字编码每增大一次，模拟输出都应该增加 76µV。

　　开环系统中的其他重要参数包括偏移、增益误差、基准电压误差以及这些参数随时间和温度变化的稳定性。INL 尤其重要，因为与闭环系统相比，DAC 的 INL 对系统的总体线性度有直接影响。

图 3：开环系统举例

　　"设定后便不需再过问"的系统

　　DAC 线性度起到重要作用的第三种应用是"设定后便不需再过问"的系统。在这类系统中，调节或校准只进行一次，也许在制造时或安装时。因此，这类系统一开始是一 种闭环系统，然后又变成开环的。所以，与初始准确度 (偏移、增益误差、INL) 有关的任何参数都不关键，因为这些参数在调节时都得到了补偿。但是一旦反馈去掉，稳定性就变得很关键了。表明稳定性的数据表性能规格包括：增益误差漂移、 失调和基准漂移。
 

    图 4 显示一个"设定后便不需再过问"的应用例子。在这张图中，一个较低分辨率的 DAC 驱动一个可编程增益放大器，该放大器设定精准 DAC 偏移调节引脚上的电压。在初始系统校准时，该较低分辨率 DAC 用来有效地校准精准 DAC 的增益偏移。这个调节代码可以存储在非易失性存储器中，并在系统每次加电时装载。

图 4："设定后便不需再过问"的系统举例

　　进一步了解 DAC DC 性能规格

　　一旦决定了闭环、开环或"设定后便不需再过问"系统的类型，就该选择最好的 DAC 了。正如之前提到的那样，有些应用需要粗略调节，这意味着系统仅需要有限数量的可变设置。在这种情况下，8 位或 10 位分辨率的 DAC 一般就足够了。就需要更精细控制的系统而言，12 位 DAC 可以提供足够的分辨率。在今天的市场上，16 位和 18 位 DAC 提供最精细的每 LSB 分辨率。

　　LTC2600 是一种 16 位 8 通道 DAC，是为闭环系统而设计的。看一下它的 DC 性能规格会发现这是很明显的。典型的 INL 是 ±12LSB，最大值为 ±64LSB。典型的 INL 随输入代码的变化曲线在图 5 的下部显示了这些性能规格。16 位单调性和 ±1LSB DNL 误差允许在前馈通路中进行精准控制。正如前面提到的那样，前馈误差对闭环系统来说不重要，只要该 DAC 是单调的就行。

图 5：LTC2656 与 LTC2600 的比较

　　相反，新的 LTC2656 是一种 8 通道 DAC，所有 8 个 DAC 都提供 16 位单调性和卓越的 ±4LSB INL 误差，从而使该器件可能同时适合开环和闭环系统。LTC2656 封装中所有 8 个 DAC 的典型 INL 随代码变化的曲线如图 5 所示。在 16 位 8 通道 DAC 类别中，LTC2656 提供最佳 INL。

　　单个封装中的 8 个 DAC 都实现高线性度不是一个容易的设计任务。封装压力和电压随温度的漂移都必须在设计中考虑到。单个 DAC 实现较严格的 INL 性能规格会容易得多。例如，凌力尔特公司提供的 LTC2641 是一种单 16 位 DAC，该器件提供 ±1LSB INL 和 DNL 的最高 DC 性能规格。

　　除了 INL 和 DNL，其他要考虑的重要 DC 性能规格是偏移误差 (或零标度误差) 和增益误差 (满标度误差)。偏移误差表示，在 (或接近) 零标度输入编码时，实际传递函数与理想传递函数的匹配程度。就需要直到地的精准控制应用而言，偏移误差是非常重要的。LTC2656 提供非常低的 ±2mV 最大偏移误差。

　　增益误差表示实际传递函数斜率与理想传递函数斜率的匹配程度。增益误差和满标度误差有时可互换使用，但是满标度误差同时包括增益误差和偏移误 差。LTC2656 提供 ±64LSB 的最大增益误差，这等于满标度的0.098% (64/65536)，是一个非常小的最大增益误差。

　　具有非常好的偏移和增益误差的 DAC 可能允许系统不必运行控制器或 FPGA 中软件的校准周期。一个随时间和温度变化漂移非常小的 DAC 还使设计更简单，因为系统工程师不需要经常校准。

图 6：LTC2656 方框图

　　±10V 输出的 DACs

　　之前提到的 DAC 用于单电源或单极性 0V 至 5V 系统。不过，有些闭环、开环或"设定后便不需再过问"的系统需要 ±10V DAC。就这些高压系统而言，设计师既可以用具可编程增益放大器的单极性 0V 至 5V DAC来执行增益和电平移动，或者也可以由 DAC 直接提供 ±10V 的信号。

　　凌力尔特公司提供单、双和四通道 DAC 供客户选择，这些 DAC 提供高达 ±10V 的输出电压。LTC1592 是单通道 16 位 DAC 的一个例子，该器件提供两个单极性和 4 个双极性可由软件编程设定的输出电压范围，包括 0V 至 5V、0V 至 10V、±2.5V、±5V、±10V 和 -2.5V 至 7.5V。因此，同一个 DAC 既可以用于单极性系统也可以用于双极性系统，而无需彻底地重新设定控制器。例如，将 DAC 输出范围从 0V 至 5V 改变到 ±10V，仅需要改变至 DAC 串行位流中的两个位。

　　结论

　　DAC是开环、闭环或"设定后便不需再过问"系统的关键组件。这类系统每一种都需要 DAC 提供不同级别的准确度和分辨率。在特定分辨率时，总是有一些因素需要权衡，如价格、封装大小、基准准确度和输出阻抗。就最高精确度的系统而言，选择 DAC 时很重要的是不仅要考虑数据表第一页上提供的位数是多少，还要考虑 INL、DNL、偏移误差、增益误差等 DC 性能规格保证有多高的准确度。