ZHDA039 电路设计 | 德州仪器 TI.com.cn

设计目标

主要输入参数	主要输出信号	推荐器件
DAC 输出电压工作范围：0V 至 2.667V 满标量程：0V 至 3.733V	XTR 输出电压工作范围：0V 至 10V 满标量程：0V 至 14V	DAC80501、XTR200

目标

使用变送器 (XTR) 器件从精密数模转换器 (DAC) 输出生成 0V 至 10V 的模拟电压输出。在输出中设计了更高的满标量程设置，以便在需要时进行校准。

设计说明

在该电路中，DAC80501 电压输出驱动 XTR200，以将精密模拟电压输出设置为 0V 至 10V 的工作范围，并具有更大的满标量程至 14V 以进行校准，或基于 15V 电源的更宽范围。此电路由 DAC80502-01EVM 及 XTR200EVM 进行构建和测试。XTR200 具有引脚可选模式，可输出电流或电压。该电路虽有电压输出描述，但也可以在不更改原理图的情况下配置电流输出。该简单电路用于执行器及可编程逻辑控制器 (PLC) 等模拟输出的工业自动化和过程控制。

DAC80501, DAC70501, DAC60501, DAC80502, DAC70502, DAC60502, DAC80504, DAC70504, DAC60504, DAC80508, DAC70508, DAC60508, DAC80516, DAC8551, DAC7551, DAC8552, DAC7552, XTR200

规格

DAC80501 输出	XTR200 MODE 引脚	XTR200 输出	精度
0V 至 3.733V	Lo（电压输出）	0V 至 14V	±0.2%

设计说明

绘制的示例电路供微控制器通过 SPI 通信配置 DAC80501，以设置 DAC 输出电压。如果需要，可以采用 I²C 协议，通过将 SPI2C 引脚设置为高电平来控制 DAC80501。
XTR200 MODE 引脚将器件输出设置为电压输出 (MODE = Lo) 或电流输出（MODE = Hi）。如果需要两个输出，则可以通过微控制器的 GPIO 设置该引脚，如果只需要一种类型的输出，则可以连接高电平或低电平。通过在 SET 引脚处包含一个接地精密电阻器，可以使用相同的原理图通过将 MODE 设置为高电平来实现电流输出。R_SET 的放置方式不会影响 XTR200 在电压模式下的运行。
在该电路中，DAC80501 由 5V 电源供电。使用 5V 电源时，DAC80501 数字输入引脚支持 3.3V 工作电压。V_IH 电压为 1.62V，V_IL 为 0.45V。DAC80501 没有用来读回寄存器配置的 SDO 引脚。
此外，XTR200 MODE 数字引脚也设计用于 3.3V 运行。请注意，V_IH 电压电平为 1.65V，V_IL 电压为 0.8V。MODE 引脚的内部上拉电流为 4µA。
该电路中的 XTR200 显示成使用 15V 电源。不过，该器件可在 8V 至 60V 的电源电压下提供更大的电压范围。
DAC80501 及 XTR200 器件都使用靠近相应电源引脚的去耦电容器。DAC80501 在 VDD 引脚上使用 100nF 电容器，而 XTR200 在 VSP 引脚上使用该电容器。为 DAC80501 使用额定电压为 10V 或更高的去耦电容器，并为 XTR200 使用额定电压为 25V 或更高的去耦电容器。
在该电路中，DAC80501 使用 DAC 的内部基准。首次加电时，默认启用该内部基准。VREFIO 引脚在引脚附近使用另一个 100nF 去耦电容器。如果需要外部基准来实现更高的精度，请在 VREFIO 引脚上串联一个 1kΩ 电阻器，以减少电流争用并在启动后通过将 CONFIG 寄存器 (0x03) 中的 REF_PWDWN 位 [8] 设置为 1 来禁用内部基准。
XTR200 具有一条内部电路，可检测器件中的错误状态。在 EF 引脚上检测到的警报条件指示器件是否存在以下电路故障之一：
- 在电压输出模式下，输出已达到短路电流限制
- 负载电压和电源电压之间没有足够的余量来实现正确的电压或电流输出，仅在输入电压大于 350mV 且电源电压大于 10V 时可检测到
- 在电流输出模式下，输出为开路，仅当输入电压电源电压大于 10V 时可检测到
- SET 引脚电流短路或超过输出短路电流限制的 1/10
- 电源电压低于 8V
- 芯片温度超过 150°C
该原理图显示了 DAC80501Z。“Z”选项的 DAC 代码默认设置为 0x0000。此器件的“M”选项的默认设置为中标度，DAC 代码为 0x8000。
如前所述，该电路还可用于模拟电流输出，而不会发生变化。使用 DAC80501 和 XTR200 的精密三线电流变送器 中介绍了该功能。

设计步骤

为了在电压输出模式下运行，XTR200 MODE 引脚设置为 Lo。在电压模式输出中，XTR200 的增益为 3.75。输出电压的计算公式如下：

V_{O U T} = V_{I N} \times 3.75

DAC80501 设置为 REF-DIV = 0b 及 BUFF-GAIN = 1b。这些设置在内部将基准设置为单位增益并将输出缓冲器增益增加到二，以将 DAC 范围设置为 0V 至 5V。在该设置下，XTR200 的输出电压计算如下：

V o l t a g e o u t p u t = (\frac{D A C c o d e}{2^{16}}) \times 3.75 \times 5 V

在许多工业应用中，需要 0V 至 10V 的范围。在该电路中，理论满量程输出范围为 18.75V，具体取决于电源电压。然而，在这个电路中，XTR200 的电源电压为 15V。选择 0V 至 14V 的 XTR200 输出范围，DAC 代码范围设置为 0x0000 至 0xBF25（48933 十进制）。该代码决定了输出电压的分辨率，约为 286µV/LSB。如果 DAC 不需要高分辨率，则在此应用中可以使用 14 位 DAC70501 或 12 位 DAC60501。

TUE 分析

总体未调整误差 (TUE) 通过对总输出误差的影响误差的平方和根加法计算得出。此计算通常由增益误差、增益误差漂移、偏移电压误差、偏移电压误差漂移及非线性误差组成。有关 XTR200 电压输出的 TUE 分析，请先从 DAC80501 输出的 TUE 计算开始。

DACx0501 具有精密内部基准的 16 位、14 位和 12 位 1LSB INL 电压输出 DAC 数据表方便地指定了 DAC 的 TUE 误差，并在电气特性 表中将这些误差合并为一个最大值。对于该电路，DAC 设置为 REF-DIV = 0b 和 BUFF-GAIN = 1b。

请注意，规格表中 ±0.08% 的 DAC80501 (REF-DIV = 0b) 的 TUE 误差不包括基准误差或基准漂移。

{E r r}_{D A C R E F - D I V 0} = \sqrt{{E r r}_{R E F}^{2} + {E r r}_{R E F D r i f t}^{2} + {E r r}_{T U E}^{2}}

当基准误差为 ±0.1%（在 2.5V 基准电压下为 2.5mV）且漂移为 ±0.05%（从 25°C 到 125°C，100°C 以上 5ppm/°C，与室温的最大漂移）时，得出以下结果：

{E r r}_{D A C R E F - D I V 0} = \sqrt{{0.1}^{2} + {0.05}^{2} + {0.08}^{2}} = 0.137 %

从 DAC80501 计算 TUE 后，DAC 误差可以包含在 XTR200 的 TUE 计算中。XTR200 电压模式产生误差的是偏移电压误差、偏移电压漂移、增益误差、增益漂移误差及非线性。误差与 DAC80501 TUE 结合，以确定电压模式输出的总 TUE。

误差 (%)
XTR 电压偏移	XTR 电压温漂	XTR 电压增益误差	XTR 电压增益漂移	非线性度	DAC80501 TUE 误差
±0.0268	±0.008	±0.05	±0.005	±0.0006	±0.137

在 XTR200 精密 3 线电流和电压变送器 数据表电气特性 表中，最大电压模式偏移（参考输出）为 3750µV。该值是最大输入偏移电压，乘以 XTR200 增益 3.75。根据 14V 的满量程电压范围，最大电压模式偏移电压会转换为百分比。

漂移误差基于室温变化 100°C，最大输入偏移电压漂移为 3µV/°C（输出偏移电压漂移再次乘以 3.75），电压增益误差漂移为 0.5ppm/°C。将分量的值平方并求和。平方根表示电压输出的 TUE 值。

{T U E}_{V O U T} = \sqrt{{E r r}_{V O S}^{2} + {E r r}_{V O S D r i f t}^{2} + {E r r}_{V G E}^{2} + {E r r}_{V G E D r i f t}^{2} + {E r r}_{V N o n L i n}^{2} + {E r r}_{D A C}^{2}}

插入误差值后，可计算电压输出 TUE 的以下结果：

{T U E}_{V O U T} = \sqrt{{0.027}^{2} + {0.008}^{2} + {0.05}^{2} + {0.005}^{2} + {0.00065}^{2} {+ 0.137}^{2}}

{T U E}_{V O U T} = \sqrt{0.0222} = 0.149 %

零代码误差

为 DAC80501 输入 0x0000 的 DAC 代码不会将输出刚好设置为 0V。对于单极电源 DAC，零代码误差与输出缓冲器相关。当输出缓冲器无法将输出驱动至 0V 时，就会产生此端点错误。对于 DAC80501，零代码误差最大为 1.5mV。该电压表示 XTR200 的 5.6mV 输出。

如果使用具有较低零代码误差的不同 DAC，则 XTR200 在 0V 输入附近有额外的限制。当电压低于 4mV 时，XTR200 的输出电压是非线性的。该值列为输出电压线性范围的下限。

无论如何，电路都会使用 256d 至 48934d 的 DAC80501 数据代码进行测试，以根据电路电源电压将端点限制在有限范围内。对于 XTR200，下端点表示输出电压为 19.5mV，而上端点表示 14V。

测量结果

该电路使用 DAC80502-01EVM 及 XTR200EVM 构建。DAC80502-01EVM 设置成使用从 USB 电源获取的 5V VDD 电源。XTR200EVM 由外部 15V 电源在 VSP 上供电。使用 Agilent® 34410A 执行测量。下图显示了在 MODE = Lo 的电压输出模式下，从 DAC 代码到输出电压的测量传递函数：

通过输出范围的测量值计算并且绘制非线性度。端点时基故障根据 DAC 代码 256d 至 48934d 计算得出。

下表显示了相对于构建电路的总增益误差、偏移电压及非线性度测量值。

参数	测量值
增益误差	-0.077%
偏移	–53µV
非线性度	5.5ppm

寄存器设置

此应用的 DAC80501 设置的寄存器映射如下表所示。

DAC80501 的寄存器设置

寄存器地址	寄存器名称	设置	说明
0x03	CONFIG	0x0000	[15:9] 0000000b：保留
			[8] 0b：REF_PWDWN，如果使用外部基准，则将该位设置为 1
			[7:1] 0000000b：保留
			[1] 0b：DAC_PWDWN，将该位设置为 1 以关闭 DAC 的电源
0x04	增益	0x0001	[15:9] 0000000b：保留
			[8] 0b：REF-DIV，将基准电压设置为单位增益
			[7:1] 0000000b：保留
			[0] 1b：BUFF-GAIN，将缓冲放大器的增益设置为二
0x08	DAC	0x0000	[15:0] 00000000b DAC-DATA，设置 DAC 输出代码

伪代码示例

以下伪代码序列显示了设置 DAC80501 及 XTR200 以实现电压输出所需的步骤。这些示例示出了使用 SPI 通信的 DAC 配置。请注意，DAC80501 具有使用 I²C 进行通信的选项。

Configure the SPI communication of the microcontroller to SPI mode 1 (CPOL = 0, CPHA = 1);
// Voltage mode
{Set microcontroller GPIO output to set MODE pin Lo for the XTR200; 
}
// Internal reference and DAC output are enabled at start by default
// If using external reference, add series 1kΩ resistance at VREFIO to reduce contention current
// and disable internal reference, else skip this step
{Set CS to device Lo; 
    Send 24 SCLKs, Write 0x030100; 
    // Set DAC REF_PWDWN = 1b [8] in CONFIG register, disables internal reference
    // DAC output can also be disabled in this register with DAC_PWDWN = 1b [0]
Set CS to device Hi;
// Configure DAC80501 output gain
}
{Set CS to device Lo; 
    Send 24 SCLKs, Write 0x040001; 
    // DAC80501 output range 0V to 5V
    // Set DAC REF-DIV = 0b [8], BUFF-GAIN = 1b [0] in GAIN register
    // DAC output full-scale range set to reference voltage × 2
Set CS to device Hi;
}
// Set DAC80501 Data Code
{Set CS to device Lo; 
    Send 24 SCLKs, Write 0x088888; 
    // Write DAC output code to 0x8888 (34952d), sets output voltage to 10V
Set CS to device Hi;
}

设计中采用的器件

使用参数搜索工具查找其他可能的器件。

器件	主要特性	链接
DAC80501	DACx0501 具有精密内部基准的 16/14/12 位 1LSB INL 电压输出 DAC	DAC80501
XTR200	XTR200 精密 3 线电流和电压变送器	XTR200
DAC80502-01EVM	DAC80502 和 DAC80501 评估模块	DAC80502-01EVM
XTR200EVM	XTR200 评估模块	XTR200EVM

设计参考资料

有关 TI 综合电路库的信息，请参阅模拟工程师电路说明书。

其他资源

德州仪器 (TI)，DAC80502-01 评估模块用户指南
德州仪器 (TI)，XTR200 评估模块用户指南
德州仪器 (TI)，使用 XTR200 简化 4 –20mA 电流和电压输出 3 线变送器
德州仪器 (TI)，使用 DAC80501 和 XTR200 的精密三线电流变送器

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