Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2015
Analog Devices
Circuit Note CN0191
Принцип работы схемы и ее преимущества
Выходное напряжение изображенной на Рисунке 1 схемы, программируемое с 20-разрядной точностью в диапазоне от −10 В до +10 В, имеет низкий уровень шумов, интегральную нелинейность ±1 LSB (единиц младшего разряда) и дифференциальную нелинейность ±1 LSB.
 |
|
| Рисунок 1. | Источник напряжения ±10 В с точностью 20 бит. (На этой упрощенной схеме не показаны некоторые соединения и блокировочные конденсаторы). |
Последовательный цифровой вход схемы совместим со стандартами интерфейсов SPI, QSPI, MICROWIRE и DSP. Малошумящая схема, предназначенная для приложений высокой точности, основана на комбинации прецизионных компонентов AD5791, AD8675 и AD8676.
Особое внимание уделено буферу источника опорного напряжения (ИОН), поскольку входное сопротивление ЦАП сильно зависит от кода и при неправильной конструкции буфера станет источником ошибок линейности. Для выполнения этой функции наилучшим образом подходит, и это доказано экспериментами, микросхема AD8676, имеющая усиление 120 дБ при разомкнутой петеле обратной связи и удовлетворяющая всем требованиям по времени установления, напряжению смещения и входному импедансу. Именно входной буфер ИОН на сдвоенном усилителе AD8676 составляет основу схемы, с помощью которой выполняются заводской контроль и калибровка ЦАП AD5791.
Такая комбинация компонентов позволяет получить лучшие в отрасли значения интегральной и дифференциальной нелинейности, равные ±1 LSB, при гарантированной монотонности характеристики, низкой потребляемой мощности, небольшой площади, занимаемой на печатной плате и оптимальной цене.
Описание схемы
Значения интегральной и дифференциальной нелинейности 20-битного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) AD5791 с интерфейсом SPI, показанного на Рисунке 1, равны ±1 LSB, а спектральная плотность шума составляет 7.5 нВ/√Гц. Кроме того, AD5791 отличается экстремально низким температурным дрейфом 0.05 ppm/°C. Прецизионная архитектура AD5791 требует использования мощных буферных схем на входах ИОН, которые позволили бы реализовать указанную в технической документации линейность. Выбранные для буферизации входов ИОН усилители B1 и B2 должны иметь малые шумы, низкий температурный дрейф и минимальные входные токи. Рекомендованный для выполнения этой функции ультрапрецизионный 36-вольтовый сдвоенный усилитель AD8676 с напряжением шумов 2.8 нВ/√Гц имеет смещение 0.6 мкВ/°C и входные токи 2 нА.
На Рисунке 1 ЦАП AD5791 включен в конфигурации с независимыми положительным и отрицательным опорными напряжениями, что позволяет иметь диапазон выходных напряжений, расположенный между этими напряжениями, в данном случае от –10 В до +10 В. В качестве выходного буфера используется AD8675 – одноканальный вариант микросхемы AD8676, предпочтение которому было отдано из-за его низких шумов и малого дрейфа. Усилители AD8676 (A1 и A2) используются также для преобразования опорного напряжения +5 В к масштабу +10 В и −10 В. В этой схеме масштабирования в качестве R2, R3, R4 и R5 используются прецизионные металлофольговые резисторы с допускаемым отклонением сопротивления 0.01% и температурным коэффициентом 0.6 ppm/°C. Для оптимизации температурной зависимости характеристик можно использовать выпускаемые Vishay резисторные сборки серий 300144 или VSR144. Чтобы сохранить на низком уровне шумы системы, сопротивления резисторов следует выбирать небольшими – 1 кОм или 2 кОм. R1 и C1 образуют ФНЧ с частотой среза порядка 10 Гц. Назначение этого фильтра заключается в ослаблении шумов ИОН.
Измерения нелинейности
 |
|
| Рисунок 2. | Зависимость интегральной нелинейности от кода ЦАП. |
Представленные ниже экспериментальные данные подтверждают высокую точность характеристик схемы, изображенной на Рисунке 1. На Рисунках 2 и 3 показаны зависимости интегральной и дифференциальной нелинейности от входного кода ЦАП. Как можно видеть, измеренные значения лежат далеко от границ ±1 LSB, специфицированных в документации на микросхему.
 |
|
| Рисунок 3. | Зависимость дифференциальной нелинейности от кода ЦАП. |
Общая нескорректированная ошибка схемы складывается из совокупности статических погрешностей – интегральной нелинейности, ошибки нуля и ошибки полной шкалы. Рисунок 4 демонстрирует зависимость общей нескорректированной ошибки от кода ЦАП. Максимальные ошибки возникают при нулевом коде ЦАП (ошибка смещения нуля) и при коде 1,048,575 (ошибка полной шкалы). Это ожидаемый результат, обусловленный рассогласованием сопротивлений резисторных пар R2, R3 и R4, R5, а также ошибками смещения усилителей A1, A2, B1 и B2 (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 4. | Зависимость общей нескорректированной ошибки от кода ЦАП. |
Указанное в справочных данных максимальное рассогласование сопротивлений в резисторных парах для нашего случая равно 0.02%, однако реальное типовое рассогласование намного меньше этого значения. Ошибки смещения усилителей не превышают 75 мкВ, или 0.000375% от полной шкалы и пренебрежимо малы по сравнению с ошибкой, вносимой несогласованностью сопротивлений резисторов. Тогда ожидаемые максимальные значения ошибок полной шкалы и смещения нуля должны были бы достигать 210 LSB каждая. Но из Рисунка 4 видно, что измеренная ошибка полной шакалы равна 1 LSB, а измеренная ошибка смещения нуля составляет 4 LSB, или 0.0003% от полной шкалы, чем подтверждается, что реальные характеристики компонентов намного лучше предельных значений, указанных в технической документации.
Измерения шумов
Для реализации высокой точности пиковое напряжение шумов на выходе схемы должно поддерживаться на уровне ниже 1 LSB, что при 20-битном разрешении и полном диапазоне 20 В пересчитывается в напряжение 19.07 мкВ. На Рисунке 5 показаны пиковые шумы, измеренные в полосе частот 0.1 … 10 Гц на отрезке 10 секунд. Значения шумов для каждого из трех условий измерения составили 1.48 мкВ для выходного напряжения, соответствующего середине шкалы, 4.66 мкВ для полной шкалы и 5.45 мкВ для начала шкалы (ошибка смещения нуля). В середине шкалы шумы минимальны и определяются только шумами ядра ЦАП, поскольку составляющие шума, вносимого каждым источником опорного напряжения, ЦАП значительно ослабляет.
 |
|
| Рисунок 5. | Шумы напряжения в полосе частот от 0.1 Гц до 10 Гц. |
Реальные приложения, однако, не будут иметь нижнюю частоту среза 0.1 Гц, при которой ослаблялись бы фликкер-шумы (1/f), а будут содержать частотные составляющие, начинающиеся от постоянного тока, поэтому более реалистичными будут результаты измерения пиковых шумов, показанные на Рисунке 6. В этом случае шумы на выходе схемы измерялись на протяжении периода времени 100 секунд, что позволило эффективно включить в измерения частоты от 0.01 Гц. Верхняя частота среза, равная примерно 14 Гц, ограничена измерительной установкой. Для трех условий, показанных на Рисунке 6, пиковые значения шумов составили 4.07 мкВ для выходного напряжения, соответствующего середине шкалы, 11.85 мкВ для полной шкалы и 15.37 мкВ для начала шкалы (ошибка смещения нуля). Наихудшему значению 15.37 мкВ соответствуют примерно 0.8 LSB.
 |
|
| Рисунок 6. | Шумы напряжения, измеренные на интервале времени 100 с. |
С увеличением интервала измерения начнут вносить свой вклад более низкие частоты, и пиковое напряжение шумов увеличится. На низких частотах начинают оказывать влияние на уровень общих шумов температурный дрейф и эффект термопары. Влияние этих эффектов можно уменьшить путем выбора компонентов с низкими температурными коэффициентами, таких как AD5791, AD8675 и AD8676, а также тщательной проработкой конструкции схемы.
Варианты включения
AD5791 поддерживает широкий диапазон выходных шкал от 0 … 5 В до ±10 В, а также любые промежуточные значения. Показанная на Рисунке 1 конфигурация может использоваться, в зависимости от конкретной задачи, для работы как с симметричными, так и с асимметричными выходными диапазонами. К входам VREFP и VREFN подключаются отдельные источники опорного напряжения, а усиление выходного буфера должно быть выбрано равным единице так, как описано в [1], с битом RBUF внутреннего регистра управления AD5791, установленным в «лог. 1».
В AD5791 также предусмотрен режим, когда усиление выходного каскада равно 2, и схема из одного положительного ИОН формирует напряжения в симметричном двуполярном диапазоне (см. [1]), не нуждаясь в отрицательном источнике опорного напряжения. Однако при этом увеличиваются ошибки полной шкалы и нуля. Для выбора этого режима бит RBUF внутреннего регистра управления AD5791 необходимо установить в «лог. 0».
Исследование и испытание схемы
Схема на Рисунке 1 сделана на основе модифицированной отладочной платы для микросхемы AD5791 (Рисунок 7). Подробное описание этой платы и методов измерений можно найти в [4].
 |
|
| Рисунок 7. | Отладочная плата для микросхемы AD5791. |
Купить AD5791 на РадиоЛоцман.Цены
