高性能nanoDAC AD5611的原理及應用(圖)

摘 要：ad5611是美國模擬器件公司(adi)生產的一款單電源串行10位nanodac系列數模轉換器，特別適用于以電池供電的便攜式儀器。文中介紹了ad5611的性能特點、內部結構和設計考慮，同時給出了由ad5611組成的雙極性電壓輸出d/a轉換器的應用電路。
關鍵詞：數模轉換器；ad5611；80c51；三線串口

概述
--- ad5611是一款易控制、小尺寸、低功耗的10位dac，在5v時的最大工作電流為100μa，并保證有單調的性能。在節電模式下，ad5611工作電壓為3v時的功耗電流小于100na，芯片還可通過軟件選擇輸出負載。ad5611利用通用三線串口將時鐘頻率上升到30mhz，同時與spi、qspi、microwire、dsp等接口標準兼容。ad5611的基準電壓源來自電源輸入，因此獲得了很寬的動態輸出范圍，該部分同時合并了加電復位電路，確保無輸入信號時dac的輸出端電平始終保持為0v。ad5611具有軌到軌輸出緩沖放大器，可實現0.5v/μs的轉換速率，還具有同步中斷控制功能。
由于以上這些特點，使ad5611很適合作為電壓準位設定，主要用于消費類電子產品和手持設備、數字增益和偏移量調整、可編程電壓源、可編程電流源和可編程衰減器等場合，例如數碼相機、pda、手機音量控制或背光顯示屏亮度控制等。
ad5611的內部結構如圖1所示，芯片由施密特觸發輸入電路、基準源、加電復位電路、移位寄存器、輸入控制邏輯、節電控制邏輯模塊、輸出緩沖放大器及電阻網絡等部分組成。

設計要點
ad5611的內部主要器件為dac移位寄存器、電阻網絡和輸出緩沖放大器。由于輸入到dac的數據是直接二進制格式，因此，從理論上得到的輸出電壓應該為，其中，vdd是芯片的工作電源電壓，d是輸入二進制數據的十進制形式。
ad5611的三線串口(sync、sclk和din)可兼容spi、qspi、microwire接口協議標準。ad5611為單向通信，只有外部的寫操作，當sync由高電平跳至低電平時，通信開始，din在sclk時鐘信號的控制下，在sclk的下降沿將數據輸入16位移位寄存器。只有當16位數據全部輸入寄存器，即sclk的第16個下降沿過后，移位寄存器才將最新的數據加載進去，從而完成一次完整的寫操作。在串行數據輸入過程中，sync必須保持為低電平，直到通信結束，否則，寫操作無效。如果在對ad5611進行一次寫操作后，緊接著要進行第二次寫操作，那么在第一次寫操作完成后至少應保持33ns的高電平，以使sync能產生一個下降沿來啟動下一次寫時序。
輸入移位寄存器為16位寬度，如圖2所示。pd0位和pd1位是控制位，用以控制功率操作模式(標準模式或三種節電模式中的一種模式)。d0～d13位是數據位，在sclk波形的第16個下降沿時傳輸至dac寄存器。

ad5611有四種獨立的工作模式，工作模式的選擇通過軟件設置寄存器的db15和db14位來完成，工作模式和真值表的對應關系見圖3中。ad5611在標準模式下，輸出端vout輸出與數字量成正比的模擬電平；而在節電模式下，其輸出端vout將在芯片內部通過一個電阻接地或保持開路。節電模式下的三種工作模式分別為輸出端接1kω電阻到地、輸出端接100kω電阻到地、輸出端斷開電路(三態)。
   節電模式被激活時，偏壓發生器、輸出放大器及其他相關的線性電路將全部關閉，但dac寄存器中的內容不受影響。在vdd=5v和vdd=3v兩種情況下，退出節電模式的時間分別對應為2.5μs和5μs。
飛利浦公司生產的80c51單片機在微控制器領域有著十分廣泛的應用，而ad5611的通用三線串口可方便地與其接口。圖3給出了ad5611與80c51單片機傳輸數據的接口原理圖。當rxd信號驅動ad5611的串行數據線(din)時，txd信號則用來作為串行時鐘線(sclk)的驅動信號。當數據傳輸到ad5611時，p3.3應被置為低電平。因為80c51是以8位數據(1字節)作為數據傳輸的單位，所以傳輸周期只經歷8時鐘的下降沿。為了將數據加載到轉換器，當前8位數據傳輸完畢時，p3.3就應該置為低電平，啟動一個新的寫周期以傳輸下一個字節。當完成一個寫周期后，p3.3即變為高電平。傳輸數據時，80c51先輸出數據的最低有效位(lsb)，而ad5611則只能先接收數據的最高有效位(msb)，這一點是在對80c51編程時需要加以考慮的。

前面介紹到ad5611為單極性電源操作，但在實際應用中也可通過運算放大器等相關元件和ad5611組成雙極性電壓輸出d/a轉換電路。圖4所示電路是由ad5611和運算放大器ad820組成的雙極性電壓輸出d/a轉換電路，其數字量0x0000對應于模擬輸出電壓的-5v，而0x3fff則對應+5v的模擬輸出電壓。輸出電壓可根據下式計算得到：

；
這里，d表示輸入數據的十進制形式。當vdd=5v，r1=r2=10kω時，
；

結束語
ad5611具有接口簡單、使用方便、便于精密輸出控制等特點，同時又具備很低的功耗，能夠滿足當前系統對低功耗、小封裝和低成本的要求。

參考文獻
1 analog devices. nanodac d/a, spi interface. sc70 package.2004
2 周立功.增強型80c51單片機速成與實戰. 2003
3 劉書明.高性能模數與數模轉換器件. 2000
4 張友德. 飛利浦80c51系列單片機原理與應用技術手冊.1992