最近在高精度、仪器级D-to-A转换方面取得了重大进展。十年前，12位D-to-A转换器(dac)被认为是高端设备。今天，16位dac是可用的，并且在系统设计中越来越普遍。这些是真正的精密器件，线性误差小于1LSB，漂移小于1ppm/°C。尽管如此，有些DAC应用程序需要更高的性能。自动测试设备、仪器、校准仪器、激光切割机、医疗电子和其他应用通常要求DAC精度超过16位。尽管18位dac价格昂贵且需要经常校准，但它们已经以电路组装的形式生产出来。20甚至23+ (0.1ppm!)位dac由手动开关开尔文-瓦利分频器表示。这些设备虽然精确得惊人，但体积大、速度慢而且极其昂贵。它们的使用通常仅限于标准实验室。一个有用的发展将是一个实用的，20位(1ppm) DAC，易于构建，不需要频繁校准。

20位DAC架构

图1描绘了一个20位(1ppm) DAC的架构。该方案是基于一个真正的1ppm到数字转换器的可用性，其刻度和零漂移低于0.02ppm/°C。该器件LTC2400用作数字校正环路中的反馈元件，以实现20位DAC。

在实践中，“从”20位DAC的输出由“主”LTC2400 a -to- d监控，它将数字信息馈送到代码比较器。代码比较器将用户输入字与LTC2400输出相区别，并向从DAC提供校正后的代码。在这种方式下，从DAC的漂移和非线性由环路不断地校正到由a - d转换器和V(REF)确定的精度。(2)环路中不需要稳定的其他组件。

这个循环有许多理想的属性。如前所述，精度限制是由A-to-D转换器及其基准设定的。此外，环路行为平均低阶位索引和抖动，避免了环路固有的小信号不稳定性。最后，可以使用经典遥感，或者通过在负载上放置a - d转换器来实现基于数字的遥感。A-to-D的SO-8封装和缺乏外部组件使这种数字体现开尔文传感方案实用。

电路的细节

图2是1ppm DAC的详细原理图。从DAC由两个DAC组成。代码比较器输出的上16位被送入16位DAC(“MSB DAC”)，而下位由单独的DAC(“LSB DAC”)转换。虽然总共32位呈现给两个dac，但有8位重叠，确保在所有条件下都能捕获环路。合成dac的24位分辨率提供了低于20位的4位索引范围，确保了1ppm刻度的稳定LSB。A1和A2将DAC的输出电流转换成电压，电压之和为A3。A3的缩放安排，使校正回路可以始终捕获和纠正任何组合的零和满量程误差。A3的输出，电路输出，给LTC2400输入A-to-D。LT1010为驱动负载和电缆提供缓冲。通过代码比较器将a -to- d的数字输出与输入字进行差分，从而产生校正后的代码。修正后的代码应用于MSB和LSB dac，关闭反馈回路。环路的完整性由a - d转换器和参考电压误差决定。电阻和二极管在5V供电的A-to-D保护它免受无意的A3输出(上电，瞬态，电源丢失等)。A4是参考逆变器，A5为两个dac提供干净的接地电位。

线性问题

a - d线性度决定了DAC的整体线性度。A-to-D的非线性约为±2ppm。在允许此错误的应用程序中，可以忽略它。如果需要1ppm的线性度，则可以通过使用软件技术纠正剩余线性度误差来获得。关于LTC2400线性度及其特性的详细信息见AN86的附录D和E。

直流性能特点

图3是线性度与输入代码的关系图。数据显示，所有代码的线性度都在1ppm以内。在0.1Hz至10Hz带通中测量的输出噪声在图4中约为0.2LSB。该测量结果受到设备限制的影响，其设置的本底噪声约为0.2µV。

动态性能

a到d的转换速率与环路的采样数据特性和慢速放大器相结合，决定了相对较慢的DAC响应。图5的旋转响应需要大约150微秒。

图6显示了满量程DAC的稳定时间在1ppm(±5)以内µV)大约需要1400毫秒。500µV的更小步进(图7)只需要100毫秒就能稳定在1ppm以内。

结论

表1总结了1ppm DAC规格。这些规范应被视为指导方针，因为所指出的选项和变化将影响性能。有关设计细节和权衡，请参阅LTC应用程序说明86的适当附录。

(1)本文摘自线性技术应用说明86,A标准实验室级20位DAC, 0.1ppm/°C漂移。该出版物提供了更多的细节。

(2)长期以来，D-to-A变换器被放置在环路中以制造a -to- d变换器。在这里，a -to- d转换器反馈环路形成D-to-A转换器。这种发展似乎有某种合理的对称性。转变确实是公平的。

(3)有人想知道，开尔文勋爵对他的后代被数字化会作何反应。这种不确定性是进步的残余。