多通道DAC模块技术文档

本模块采用AD5754四通道16位DAC为核心，集成精密输出放大器和高稳定度基准电压源，实现四路独立高精度模拟信号输出。支持±10V、0-5V、0-10V、4-20mA多种输出范围，具备单独通道控制、同步更新功能和故障检测能力，内置输出监测和保护电路，适用于工业控制、传感器激励、多轴运动控制、过程控制等多通道精密控制应用场合。

SPI输入 → 接口控制 → 数据分配 → DAC阵列 → 输出缓冲 → 范围设置 → 多路输出
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控制命令   串行译码   通道选择   4×DAC   运放驱动   电压/电流   CH1-4输出
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微控制器   寄存器    16位锁存   R-2R网络   AD8676   范围切换   负载驱动
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基准电压源  同步控制   输出使能   温度补偿   增益设置   保护电路   状态反馈
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ADR4540   LDAC信号   通道屏蔽   激光修调   可编程    过流检测   故障指示

多通道DAC模块采用AD5754作为核心转换器，这是ADI公司生产的16位、4通道、电压和电流输出DAC，集成了4个独立的数模转换器、输出放大器、基准电压源和灵活的输出范围设置功能。

数字接口采用标准SPI协议，支持高达30MHz的时钟频率。接口采用24位数据包格式，包含3位地址、1位读写控制、4位寄存器地址和16位数据。支持菊花链连接方式，多个AD5754可共享同一SPI总线，通过不同的片选信号独立控制。

AD5754内部包含4个独立的16位DAC，每个DAC对应一个输出通道。DAC核心采用R-2R电阻梯形网络结构，电阻匹配精度通过激光修调达到±0.5LSB。每个通道具有独立的数据寄存器、控制寄存器和输出范围设置，可实现完全独立的控制和配置。

输出放大器为每个通道提供高精度、低噪声的信号放大和驱动能力。放大器采用斩波稳零技术，有效抑制失调漂移和低频噪声。输出级采用轨到轨设计，能够驱动重负载和长线缆，输出电流能力达到±20mA。

输出范围设置功能支持多种标准工业信号格式。电压输出模式支持±10V、0-5V、0-10V三种范围，通过内部可编程增益放大器实现。电流输出模式支持4-20mA标准电流环输出，内置精密电流源和反馈电路，确保输出电流精度和稳定性。

基准电压系统采用内部带隙基准和外部精密基准相结合。内部基准提供2.5V参考电压，温度系数典型值10ppm/°C。外部基准接口支持ADR4540等超低噪声基准，进一步提升系统精度。基准电压直接影响所有通道的精度和稳定性。

同步控制功能通过LDAC信号实现四个通道的同时更新。正常模式下，每次写入数据立即更新到对应通道输出。同步模式下，数据写入后暂存在输入寄存器中，直到LDAC信号有效时才同时更新所有通道输出，实现多通道同步控制。

通道监测和诊断功能包含输出电压监测、短路检测、断线检测等。每个通道配置ADC回读功能，可监测实际输出电压并与设定值比较。过流保护电路监测输出电流，超限时自动关断该通道并提供告警信号。

故障检测系统包含多种保护功能。热关断保护监测芯片温度，过热时自动关断所有输出。电源监测检测供电电压异常，欠压或过压时进入保护模式。每种故障都有对应的状态位，可通过SPI接口读取故障信息。

电源管理采用双电源供电方式，+5V数字电源供给数字电路，±15V模拟电源供给DAC和输出放大器。模拟电源和数字电源在芯片内部隔离，减少数字开关噪声对模拟性能的影响。每路电源配置独立的滤波和去耦电路。

温度补偿系统采用片内温度传感器和软件校正算法。温度传感器精度±2°C，实时监控芯片工作温度。系统预存不同温度下的校准数据，通过插值算法计算当前温度的补偿系数，有效抑制温度漂移对输出精度的影响。

输出滤波电路为每个通道提供抗混叠滤波和噪声抑制。滤波器采用2阶Sallen-Key拓扑，截止频率设置为10kHz，有效抑制高频噪声和开关毛刺。滤波器可通过跳线旁路，适应不同带宽要求的应用。

1. 电源连接：连接±15V双电源，检查LED1电源指示灯正常点亮 2. 通道配置：通过SW1-SW4为每个通道选择合适的输出范围 3. 基准设置：通过JP1选择内部或外部高精度基准电压源 4. SPI接口连接：将SCLK、SDI、SDO、CS信号连接至主控制器 5. 同步模式设置：根据应用需求选择独立更新或同步更新模式 6. 负载连接：将各通道输出连接至相应的负载或控制对象 7. 系统校准：使用精密测量仪器对各通道进行校准

snippet.c

// AD5754寄存器定义
#define AD5754_DAC_REG      0x00  // DAC数据寄存器
#define AD5754_RANGE_REG    0x01  // 输出范围寄存器
#define AD5754_POWER_REG    0x02  // 电源控制寄存器
#define AD5754_CTRL_REG     0x03  // 控制寄存器
 
// 通道地址定义
#define AD5754_CH1         0x00
#define AD5754_CH2         0x01
#define AD5754_CH3         0x02
#define AD5754_CH4         0x03
#define AD5754_ALL_CH      0x04
 
// 设置单通道输出
void set_channel_output(uint8_t channel, uint16_t dac_code) {
    uint32_t spi_data = 0;
 
    // 构造24位SPI数据包
    spi_data = (0 << 23) |                    // 写操作
               (channel << 19) |              // 通道地址
               (AD5754_DAC_REG << 16) |       // 寄存器地址
               dac_code;                      // 16位DAC数据
 
    CS_LOW();
    spi_transmit_24bit(spi_data);
    CS_HIGH();
}
 
// 四通道同步输出
void set_all_channels_sync(uint16_t ch1, uint16_t ch2, 
                          uint16_t ch3, uint16_t ch4) {
    // 依次写入各通道数据（暂不更新输出）
    set_channel_output(AD5754_CH1, ch1);
    set_channel_output(AD5754_CH2, ch2);
    set_channel_output(AD5754_CH3, ch3);
    set_channel_output(AD5754_CH4, ch4);
 
    // 同步更新所有通道输出
    LDAC_PULSE();
}
 
// 配置输出范围
void config_output_range(uint8_t channel, uint8_t range) {
    uint32_t spi_data = 0;
 
    spi_data = (0 << 23) |                    // 写操作
               (channel << 19) |              // 通道地址
               (AD5754_RANGE_REG << 16) |     // 范围寄存器
               range;                         // 范围设置
 
    CS_LOW();
    spi_transmit_24bit(spi_data);
    CS_HIGH();
}

snippet.c

// 输出范围定义
#define RANGE_UNIPOLAR_5V    0x00  // 0 to 5V
#define RANGE_UNIPOLAR_10V   0x01  // 0 to 10V  
#define RANGE_BIPOLAR_5V     0x02  // ±5V
#define RANGE_BIPOLAR_10V    0x03  // ±10V
#define RANGE_CURRENT_4_20   0x04  // 4-20mA
 
// 电压到数字码转换（双极性±10V模式）
uint16_t voltage_to_code_bipolar(float voltage) {
    // ±10V对应0-65535数字码
    uint16_t code = (uint16_t)((voltage + 10.0) / 20.0 * 65535);
    return code;
}
 
// 电流到数字码转换（4-20mA模式）
uint16_t current_to_code_4_20ma(float current_ma) {
    // 4-20mA对应0-65535数字码
    uint16_t code = (uint16_t)((current_ma - 4.0) / 16.0 * 65535);
    return code;
}

snippet.c

// 读取故障状态
uint16_t read_fault_status(void) {
    uint32_t spi_data = (1 << 23) |          // 读操作
                        (AD5754_CTRL_REG << 16);
 
    CS_LOW();
    uint16_t status = spi_read_24bit(spi_data) & 0xFFFF;
    CS_HIGH();
 
    return status;
}
 
// 故障处理
void handle_faults(void) {
    uint16_t status = read_fault_status();
 
    if(status & 0x0001) {
        // 过温保护
        printf("Thermal shutdown detected\n");
    }
    if(status & 0x0002) {
        // 电源故障  
        printf("Power supply fault\n");
    }
    if(status & 0x0004) {
        // 输出短路
        printf("Output short circuit\n");
    }
}

- 工业控制：使用4-20mA电流输出，抗干扰能力强 - 伺服控制：使用±10V电压输出，响应速度快 - 传感器激励：使用0-5V或0-10V输出，匹配传感器输入范围 - 过程控制：启用同步更新功能，保证多变量协调控制

- 输出异常：检查输出范围配置，确认负载阻抗匹配 - 精度不足：执行校准程序，检查基准电压稳定性 - 通道串扰：优化PCB布局，增加通道间隔离 - 同步失效：检查LDAC信号时序，确认同步模式配置

1. 机器人控制系统

1. 四旋翼自主飞行器（2015年A题）
2. 智能机器人控制系统（2023年A题）
3. 多自由度机械臂（2021年A题）
4. 平衡车控制系统（2017年A题）

2. 精密定位系统

1. 步进电机驱动控制系统（2009年B题）
2. 伺服电机位置控制（2019年B题）
3. XY工作台控制系统（2021年B题）
4. 多轴数控系统（2023年B题）

3. 温度控制系统

1. 数字式温度计（1995年A题）
2. 多路温度巡检仪（2009年B题）
3. 温度测量与控制系统（2015年B题）
4. 恒温箱控制系统（2019年B题）

4. 流量压力控制

1. 液体点滴速度监测装置（2011年B题）
2. 智能送药装置（2021年A题）
3. 气压控制系统（2017年B题）
4. 流量计量控制装置（2023年A题）

5. 电机驱动系统

1. 直流电动机转速控制系统（1997年B题）
2. 三相异步电动机变频调速系统（2007年B题）
3. 无刷直流电机控制器（2017年A题）
4. 永磁同步电机控制系统（2021年B题）

6. 电源管理系统

1. 三相正弦波变频电源（2005年A题）
2. 开关稳压电源（2003年B题）
3. DC-DC变换器（2011年B题）
4. 电动小车动态无线充电系统（2017年B题）

7. 多传感器数据采集

1. 环境参数检测装置（2011年B题）
2. 多功能数据采集系统（2013年B题）
3. 传感器信号调理电路（2023年A题）
4. 智能传感器网络节点（2021年A题）

8. 激励源系统

1. 应变片测量放大器（2005年A题）
2. 压力传感器校准装置（2019年B题）
3. 传感器测试系统（2017年B题）
4. 多参数传感器激励器（2023年B题）

9. 多声道音频系统

1. 音频功率放大器（2011年B题）
2. 数字音频处理器（2017年A题）
3. 多声道音响系统（2021年A题）
4. 环绕声处理器（2023年A题）

10. 射频系统控制

1. 增益可控射频放大器（2015年A题）
2. 软件无线电收发信机（2017年A题）
3. 相控阵天线控制器（2021年B题）
4. 多频段信号发生器（2023年B题）

11. 多通道测试系统

1. 运算放大器参数测试仪（2021年B题）
2. 模拟电路故障诊断仪（2021年A题）
3. 电子器件自动测试系统（2023年B题）
4. 多参数综合测试仪（2019年A题）

12. 车载控制系统

1. 汽车倒车雷达（2013年A题）
2. 电动汽车充电桩（2019年B题）
3. 新能源汽车电池管理系统（2021年A题）
4. 智能车载监控装置（2019年B题）

13. 医疗设备控制

1. 生物医学信号处理装置（2019年A题）
2. 多道生理参数监护仪（2021年B题）
3. 医疗设备控制系统（2023年A题）
4. 康复训练设备（2017年B题）

14. 能源管理系统

1. 太阳能发电控制系统（2019年A题）
2. 风力发电控制装置（2021年B题）
3. 储能系统控制器（2023年A题）
4. 智能电网接口装置（2017年A题）

15. 智能控制系统

1. 气象数据采集系统（2011年A题）
2. 农业大棚监控系统（2021年B题）
3. 智能家居控制系统（2019年A题）
4. 环境监测网络（2023年B题）

- 多通道独立：4路完全独立输出，可同时控制多个对象 - 输出范围丰富：支持电压和电流输出，适应不同负载需求 - 同步控制能力：LDAC同步更新保证多通道协调动作 - 高精度输出：16位分辨率，±0.05%精度满足精密控制要求 - 完善诊断：故障检测和状态监测提高系统可靠性 - 灵活配置：每通道独立配置，适应复杂控制需求 - 工业标准：支持4-20mA电流环，满足工业应用要求

本模块特别适合需要多通道精密控制输出的竞赛项目，是多轴运动控制、过程控制、传感器激励等系统的核心器件。其独立通道控制和同步更新功能使其成为复杂控制系统的理想选择。