一种有效提高D/A转换器线性指标与分辨率的方法

    数模转换器是将接收到的数字信号转换成模拟信号，在系统设计中，其精度非常重要。通常的数模转换器8～16位，目前市场上仅有几款18位数模转换器，但均为音频专用芯片，不适合开发仪器仪表，且价格昂贵。我们采用普通的16位和12位数模转换器AD569与ADC1210设计了一款高分辨率的数模转换器。实验表明，AD569和ADC1210的短期稳定性很高。将AD569输出作为主通道，ADC1210输出作为辅助通道，两者通过比例电阻和运算放大器进行求和，滤波后输出电压的分辨率可达10 uV，相当于20位的D/A转换器，且满度输出达到10V，非常适合仪器仪表的设计需要。

电路原理
    电路如图1所示，外部基准LM369提供10V基准电压，AD569输出作为主通道转换的电压，与作为辅助通道的ADC1210输出电压在IC2的输入端叠加，叠加比例为1000:1。因为AD569是16位的D/A，其分辨率为10×1/(2¹⁶-1)=0.15mV，而12位ADC1210的分辨率为10×1/(2¹²-1)=2.4mV。电路中，理论上用ADC1210的转换电压的1/1000(2.4/1000=0.0024mV)去补偿AD569的0.15mV的最小分辨率。如此可知，理论上完全可以实现10 uV(0.01mV)的最小分辨率的设计指标。
 

电路设计注意的问题
电源与外部基准
    虽然，D/A转换器的精度主要决定于分辨率，但是其前提条件是电源及参考电源必须稳定，否则达不到应有的精度、本设计方案中采用的AD569和ADC1210均采用外部10V基准，因此对该基准的稳定性有较高的要求，设计中采用的LM369是一种带有温度补偿功能的高性能10V基准器件，其温度系数为2 uV/℃ ，稳定度是6×10^-6/年。所以LM369构成的基准电路完全胜任本设计指标对D/A基准的严格要求。
    电源电路的要求当然是越稳定、纹波越小越好。本设计中采用预稳压方式为D/A转换器供电，电路如图2所示。
 
    图2中预稳压由ZF402实现，ZF402可产生高稳定度的正负电压，年稳定度优于30×10^-6。

ADC1210应用
    ADC12l0是一个12位D/A转换器芯片，24脚双列直插式封装，输入端与TTL兼容，该芯片主要特性为：分辨率为12位；具有双寄存器结构，可对输入数据进行双重缓冲；与微处理器兼容，接口方便；建立时间为1 us，转换速度快；线性度好，温漂小；外接±10V的基准电压，工作电源+5～+15V；功耗低，约20mW；电流输出型D/A转换器。
    ADC1210内部12位输入寄存器由一个8位寄存器和一个4位寄存器组成，4位寄存器的输入允许端LE受/CS、/WRI控制，8位寄存器的输入允许端LE除受//CS、/WRI控制外，还受BYTE1、/BYTE2控制，当/CS、/WR1同为低电平时，若BYTE1、/BYTE2为高电平时，两个寄存器的LE端均有效，输入的12位数据可进入12位输入寄存器若BYTE1、/BYTE2为低电平时，则只有4位寄存器选通，使低4位输入数据进入输入寄存器。文中ADC1210与80C51的P0口8位数据总线相连，即DB11～DB4接数据总线D7～D0，DB3～DB0接D3～D0，显然，12位输入数据应分为两次写入。由于4位寄存器的LE端只取决于/CS、/WRI，所以两次写入都会写入4位寄存器。为了使4位寄存器的有效输入数据不致于被第二次写操作破坏，应将此数据在第二次写操作时写入，所以，两次写入应先对8位寄存器写入，此时应使BYTE1、/BYTE2为高电平：8位数据输入后，使BYTE1、/BYTE2端为低电平，进行第二次写入，此时只输入4位数据到4位寄存器中BYTE1、/BYTE2的选通由89C51的P2.2口线来控制。当12位输入数据进入12位输入寄存器后，再选通12位DAC寄存器将输入数据送至12位D/A转换器进行D/A转换。

AD569的应用
    AD569是一个16位D/A转换器芯片，28脚双列直插式封装，输入端与TTL兼容，该芯片主要特性为：分辨率为16位；非线性误差为0.01％；微处理器兼容，接口方便；建立时间为3us，转换速度快；线性度好，温漂小；外接±10V的基准电压，工作电源+5～+15V。
    同ADC1210一样，AD569也与80C51的P0口8位数据总线相连，即DB0～DB7与DB8～D15复用89C51的数据总线D7～D0，显然，16位输入数据应分为两次写入。低8位与高8位的写入控制由89C51的P2.1和P2.0口线来控制。当16位输入数据输入寄存器后，再选通16位DAC寄存器将输入数据送至16位D/A转换器进行数模转换。
    实践表明，AD569使用±15V电源，引入的电源噪声将严重影响输出电压的稳定度，因此，建议在这两组电源与地之间分别并入一个4.7 uF的钽电容来解决这个问题。

比例加法器的设计与调零电路的设置
    首先，本文电路设计的关键部分之一是比例电阻的选择.设计中采用的比例系数确定为1000:1，因此，电阻选择RX73精密线绕电阻10MΩ和10kΩ阻值的。为了进一步保障分辨率的准确性，这些电阻在使用前一定要做如下处理和检验：
(1)用精密测试设备，准确测试电阻阻值。
(2)将多只选择好的电阻连续加电后放置40℃的恒温箱72小时，进行温度老化处理。
(3)在可调温度的恒温装置中测定电阻的温度系数，从中选择温度影响趋势一致，且温度系数一致的两种阻值的电阻，作为比例电阻。
    通过以上的处理，可以基本减小由于比例电阻性能变化对比例系数的影响。其次，运放选择了F07A，它的开环增益大于106；输偏量电流小于0.1nA，温漂0.2 uV/℃，时漂0.2 uV/月，失调电压可调至±10 uV之内，这些参数对输出的影响均可忽略不计。
    最后，由于AD569与ADC1210组合输出，其中ADC1210能够补偿的范围应在0.1～0.01mV，因此要求ADC1210必须可进行正负两个方向的补偿，所以，设计中将ADC1210转换中值点即2048个数位处设置为零位，由于此时ADC1210的输出接近5V，比例调节后也为0.005V，因此为了使合成后的输出电压对应零位，要求AD569输出0.005V的电压且与ADC1210的输出反向，从而抵消ADC1210零点没置的电压输出。但实际中，不可能完全将零位电压补偿为零，因此必须设置外部调零电路，电路如图3所示。
 

D/A转换程序
    本设计为了方便进行D/A性能测试，设置了一个7位的可增减式键盘和7位数码显示，即每位数码管下对应一组增减键。数码管的作用是显示设定的转换电压值，对应0～10V显示。
    键盘和显示部分由显示控制芯片HD7279A组成，HD7279A是8位LED数码管及64键键盘智能控制芯片，由于该器件是串行通讯方式，所以简化了与AT89C51之间的连线。
    转换程序由C语言编写，主要包括主程序、AD569与ADC1210初始化序、键盘设置和显示程序、D/A转换调整子程序。
    由于AD569自身线性误差的局限，因此在0～10V的宽输出范围内不可能满足设计要求，因此在软件设计中必须进行修正处理，使AD569与ADC1210一起进行转换，通过预设的修正参数来补偿D/A转换的输出，修正的基本原则分析如下：由于AD569的线性指标仪为0.1％，因此，我们在使用中，可保留AD569转换值的有效位，经测试，使用本文中的10V基准，AD569转换输出电压准确到分位。表1是AD569测试考核数据。
 

    由表中数据可知，转换后的电压可准确到分位，因此可以通过给569设定值乘一个比例系数将转换电压准确到千分位(如表中1.0000对应的0.9974调整为0.999XX)。这样在修正时，只要修正万分位以后的值即可，这项工作可由ADC1210来完成，也就是利用1210转换电压的前两位数字去修正，由于1210的分辨率为2.4mv，因此在使用10V基准时，其前两位是绝对准确的。由于1210转换值通过1000:1的比例电路与569的转换值相加，因此1210转换值的前两位正好为0.000XX～0.001XX，设计中1210的初始设定在5.000V位置，则对应修正范围为：-0.0005X V～0.0005X V。因此，修正后的转换电压准确度可保障在十万分位。但是，由于AD569转换的电压在万分位以后是没有太好的规律可循的，因此应采用分段修正，本文设计中对AD569转换电压分100段进行了修正。

测试数据与结果分析
    对采用上述方案研制出的D/A转换板进行了测试。测试设备采用FLUKE 734B固态电压标准(1V与10V输出，不确定度小于1.5×10^-6)，通过FLUKE720分压器(不确定度小于1×10^-6)与D/A 的输出电压在FLUKE845指零仪(分辨率0.01 uV)上对比，表2是该D/A转换器的买际测量数据。
    实测数据表明：输出范围为0～+10V，FS=10V；分辨率为10 uV；线性(修正后)为<0.001％(满度)；准确性为<0.001％ 。
    该转换电路的设计，提高了电压的转换精度和分辨率，对仪器仪表的研制具有非常重要的意义。