摘要：大多数现代系统中的电子器件通常采用3.3V或更低的电压供电，但有时还需提供±10V的电压驱动外部负载(工业应用中非常普遍)。尽管有些数/模转换器(DAC)能够以±10V的摆幅驱动负载，但在某些场合仍然使用3.3V的DAC，然后通过放大器将电压放大至±10V。

 

概述

使用3.3V电源供电的现代逻辑系统有时运行在工业环境，可能需要±10V的电压驱动，例如PLC、发送器、电机控制等。满足这一需求的一种方法是选择能够提供±10V电压摆幅的DAC，但更好的方法是使用3.3V的DAC，然后将其输出放大到±10V，理由是：

• 3.3V DAC比±10V DAC具有更高的逻辑完整性。
• 3.3V DAC具有更高速率的逻辑接口，可以解脱微控制器部分任务使其处理其它工作。
• DAC有可能集成在一个大规模、3.3V供电的芯片内(如微控制器)，无法提供±10V输出摆幅。
• 外部负载可能要求一定的输出电流驱动，或驱动容性负载，而±10V DAC无法达到这一需求。

电路框图

电路框图如图1a所示，包含五个主要部分：DAC、基准源、偏置调节、基准源缓冲器与输出缓冲器。

DAC提供相对于基准点压的数字至电压转换，偏置电路对DAC单极性传递函数进行调节，以产生双极性输出，并可校准0V输出点。基准缓冲器能够为基准源提供负载隔离和失调调节。输出缓冲器将偏置电压叠加到信号上，并提供所需的增益，使输出摆幅达到所需要求。另外，输出缓冲器还提供一定的负载驱动能力。

电路说明

图1和图1a所示电路提供了一个将3.3V供电、16位DAC输出通过放大获得±10V输出摆幅的方案。DAC (U2)输出范围：0至2.5V，连接至运算放大器U3的同相输入端。放大器提供(1 + 26.25k/3.75k)或8倍的同相增益。运算放大器的反相输入端接+1.429V电压，该电压由基准和电阻分压网络产生。运算放大器对反相输入的增益为-(26.25k/3.75k)或-7。DAC的0V输出对应于最大负向电压：(0 x 8 ) - (7 x 1.429) = -10V。DAC的满量程输出2.5V对应于最大正向电压：(2.5 x 8) - (7 x 1.429) = +10V。


图1.


图1a.

电路包括以下器件：
 

• U1：MAX6133A，2.5V基准源
• U2：MAX5443，16位、3.3V供电串行DAC
• U3与U4：OP07A，精密运算放大器，±15V供电
• U5：MAX5491A，带有ESD保护的精密电阻网络，3:4分压比
• U6：MAX5491A，带有ESD保护的精密电阻网络，1:7分压比
• U7：MAX5423，100k、256级、非易失数字电位器

    基准源

      2.5V基准既是DAC的参考电压，也用于生成+1.429V电压。这两项功能使用了相同的基准源，因此，这两个电压间的任何跟踪误差都会影响零失调电压，因此，共模误差只会影响输出的满量程增益，而增益一般不是非常关键的参数。选择2.5V作为主基准是由于该电压非常通用，并且在3.3V、5V供电时均适用。考虑到器件本身的优异性能，我们选择了小尺寸&mICro;MAX®封装MAX6133A。该器件的重要参数包括：输出电压精度(±0.06%)、温度系数(7ppm/°C)和长期稳定性(145ppm/1kHrs)。

    数模转换器

    工业控制应用中最重要的参数是零点失调误差，本例中MAX5443的单极性输出具有±2 LSB失调误差和±10 LSB的增益误差。这些指标足以满足大多数应用的需求，为了将DAC输出转成双极性信号，通常采用偏置电路将DAC的零点转换为-10V (负向满量程)，将中间码转换为0V。这时DAC的中间码误差是零点失调与增益误差之和，而非±2 LSB。有些应用或许不能接受这一指标，所以我们使用了数字电位器，对其零点输出进行再次校准。

      运算放大器

      运算放大器U4作为基准缓冲器放置在基准分压电阻网络(U5)与运算放大器(U3)增益电阻网络之间。如果系统中使用了一个以上的DAC，这些DAC可以共用该缓冲器输出。运算放大器U3对DAC电压进行放大，并为其提供偏置。该运算放大器的选择与配置由负载需求决定。应考虑以下指标：

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