高精度DAC模块技术文档

本模块采用AD5791超高精度20位DAC为核心，集成超低噪声基准电压源和专业输出滤波器，实现±10V单极性/双极性高精度模拟信号输出。具备1ppm INL线性度、2nV/√Hz噪声密度和0.05ppm/°C温度系数，支持SPI接口控制，内置输出放大器和过载保护，适用于精密信号源、仪器仪表校准、传感器激励、高精度控制系统等应用场合。

数字输入 → SPI接口 → 数据锁存 → DAC核心 → 输出缓冲 → 滤波输出
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控制命令   串行译码   寄存器    R-2R网络   运算放大   低通滤波
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微控制器   控制逻辑   20位锁存   电阻阵列   AD8676     抗混叠
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基准电压源  时钟管理   输出使能   温度补偿   增益设置   带宽限制
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ADR4550   内部时钟   LDAC控制   激光修调   双极性    切比雪夫

高精度DAC模块采用AD5791作为核心转换器，这是ADI公司生产的20位电压输出型数模转换器，采用激光修调薄膜电阻技术和先进的CMOS工艺，实现超高精度和长期稳定性。

数字接口采用标准SPI协议，支持3线和4线模式。数据输入格式为20位二进制或二进制补码，支持单极性和双极性输出模式。控制寄存器包含DAC数据寄存器、控制寄存器和清零寄存器，提供灵活的配置选项和操作模式。

DAC核心采用分段式电流舵结构结合R-2R电阻网络。高8位采用温度计编码的电流舵阵列，保证单调性和低微分非线性。低12位采用R-2R二进制权重电阻网络，实现高分辨率。电阻阵列采用激光修调技术制造，电阻匹配精度达到0.01%，温度系数小于5ppm/°C。

基准电压系统采用外部超低噪声基准ADR4550，输出电压5.0V，初始精度±0.02%，温度系数典型值为0.6ppm/°C，长期稳定性25ppm/1000小时。基准电压直接决定DAC的满量程精度，高质量基准是实现超高精度的关键。基准缓冲器采用精密运放，提供低输出阻抗和快速建立时间。

输出放大器采用超低噪声、高精度运算放大器AD8676，电压噪声仅2nV/√Hz，偏移电压小于25μV，偏移漂移0.6μV/°C。放大器工作在单位增益或可编程增益模式，支持±10V输出范围。输出级采用AB类结构，输出电流能力±30mA，可直接驱动电阻和电容负载。

输出滤波器采用7阶椭圆低通滤波器，截止频率设置为100kHz，通带纹波小于0.1dB，阻带抑制大于80dB。滤波器有效抑制DAC输出的量化噪声和开关毛刺，提供纯净的模拟输出。滤波器采用高Q值电感电容组合，温度系数匹配，保证滤波特性的温度稳定性。

温度补偿系统采用片内温度传感器和查找表方式。温度传感器精度±1°C，实时监控芯片温度。系统存储不同温度下的校准系数，通过软件插值实现温度补偿，有效抑制温度漂移对输出精度的影响。

电源管理采用低噪声线性稳压器提供±15V双电源。模拟电源和数字电源分离供电，模拟电源纹波要求小于100μVpp。电源抑制比典型值120dB，确保电源变化不影响输出精度。每路电源配置大容量储能电容和高频去耦电容。

输出保护电路包含短路保护、过载保护和ESD保护。短路保护采用电流限制，输出电流超过±35mA时自动限流。过载保护监测输出电压，异常时关断输出级。ESD保护采用多级保护结构，人体模型耐压2kV，机器模型耐压200V。

控制逻辑提供多种工作模式。正常模式下DAC输出对应输入数字码。透明模式下数据直接传输到输出，绕过锁存器。掉电模式下DAC输出0V或中间值，功耗降至最低。清零模式将DAC输出强制为0V，用于系统初始化。

时序控制支持同步和异步更新。LDAC信号控制输出更新时刻，可实现多个DAC同步输出。CLR信号提供异步清零功能。时钟频率最高50MHz，满足高速应用需求。建立时间典型值10μs到0.1%精度。

校准系统支持零点校准和满量程校准。零点校准消除系统失调，满量程校准修正增益误差。校准系数存储在非易失存储器中，上电自动加载。支持用户校准和出厂校准两级校准体系。

1. 电源连接：连接±15V双电源，检查LED1电源指示灯点亮 2. 基准配置：通过SW2选择外部高精度基准电压源，确保基准稳定 3. 输出范围设置：根据应用需求通过SW1设置输出电压范围 4. 极性配置：通过JP1设置单极性或双极性输出模式 5. SPI接口连接：将SCLK、SDI、CS信号连接至微控制器 6. 输出滤波：根据信号带宽要求选择合适的滤波器截止频率 7. 系统校准：使用高精度数字电压表进行零点和满量程校准

snippet.c

// AD5791寄存器定义
#define AD5791_DAC_REG      0x01  // DAC数据寄存器
#define AD5791_CTRL_REG     0x02  // 控制寄存器
#define AD5791_CLR_REG      0x03  // 清零寄存器
 
// DAC输出设置函数
void set_dac_output(uint32_t dac_code) {
    uint32_t spi_data;
 
    // 构造SPI数据包：[读写位][寄存器地址][20位数据][保留位]
    spi_data = (0 << 23) |           // 写操作
               (AD5791_DAC_REG << 20) |  // DAC寄存器
               (dac_code & 0xFFFFF);     // 20位DAC数据
 
    // SPI传输
    CS_LOW();
    spi_transmit_24bit(spi_data);
    CS_HIGH();
 
    // 触发DAC输出更新
    LDAC_PULSE();
}
 
// 电压到数字码转换
uint32_t voltage_to_code(float voltage) {
    const float VREF = 5.0;          // 基准电压5V
    const uint32_t FULL_SCALE = 0xFFFFF; // 20位满量程
 
    // 双极性模式：-10V到+10V对应0到0xFFFFF
    uint32_t code = (uint32_t)((voltage + 10.0) / 20.0 * FULL_SCALE);
    return code;
}

- 基准电压选择：使用ADR4550等超低噪声基准，定期校准 - 温度控制：保持环境温度稳定，必要时使用温度补偿算法 - 电源质量：使用低噪声线性电源，充分滤波去耦 - PCB设计：模拟数字分离布局，关键信号屏蔽处理 - 负载匹配：避免容性负载引起振荡，必要时增加隔离缓冲

snippet.c

// 零点校准（输出0V时的数字码）
void zero_calibration(void) {
    uint32_t mid_code = 0x80000;    // 中间码
    set_dac_output(mid_code);
 
    // 使用高精度电压表测量实际输出
    float measured_voltage = read_voltmeter();
 
    // 计算零点偏移
    zero_offset = measured_voltage;
 
    // 存储校准参数到EEPROM
    save_calibration_data();
}
 
// 满量程校准
void fullscale_calibration(void) {
    uint32_t full_code = 0xFFFFF;   // 满量程码
    set_dac_output(full_code);
 
    float measured_voltage = read_voltmeter();
 
    // 计算增益误差
    gain_error = (measured_voltage - 10.0) / 10.0;
 
    save_calibration_data();
}

- 输出异常：检查基准电压稳定性，确认SPI通信正常 - 精度不足：执行校准程序，检查电源纹波和温度稳定性 - 建立时间过长：检查负载电容，调整输出滤波器参数 - 噪声过大：改善电源质量，优化PCB布局和屏蔽

1. 函数信号发生器

1. 实用信号源的设计和制作（2001年A题）
2. 函数信号发生器（2007年A题）
3. 正弦信号发生器（2003年A题）
4. 任意波形信号发生器（2011年A题）

2. 精密电压源

1. 直流稳压电源（1999年B题）
2. 开关稳压电源（2003年B题）
3. 可调直流稳压电源（2007年B题）
4. 直流稳压电源（2019年A题）

3. 程控信号源

1. 数字控制直流电源（2005年B题）
2. 程控滤波器（2009年A题）
3. 多功能信号发生器（2017年B题）
4. 可编程信号发生器（2021年A题）

4. 仪表校准装置

1. 简易数字电压表（1997年A题）
2. 数字式工频有效值多用表（1999年B题）
3. 低频数字式相位测量仪（2001年B题）
4. 运算放大器参数测试仪（2021年B题）

5. 标准信号源

1. 信号失真度测量仪（2007年B题）
2. 简易频谱分析仪（2011年A题）
3. 增益可控射频放大器（2015年A题）
4. 模拟电路故障诊断仪（2021年A题）

6. 传感器测试系统

1. 简易电阻、电容、电感测试仪（2003年B题）
2. 温度传感器测试仪（2017年B题）
3. 压力传感器校准装置（2019年B题）
4. 传感器信号调理电路（2023年A题）

7. 激励信号产生

1. 应变片测量放大器（2005年A题）
2. 微弱信号检测装置（2019年B题）
3. 生物医学信号处理装置（2019年A题）
4. 精密测量系统（2021年B题）

8. 精密控制装置

1. 直流电动机转速控制系统（1997年B题）
2. 步进电机驱动控制系统（2009年B题）
3. 风力摆控制系统（2017年A题）
4. 智能送药装置（2021年A题）

9. 电力电子控制

1. 三相正弦波变频电源（2005年A题）
2. 电压控制LC振荡器（2007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）

10. 音频系统

1. 音频功率放大器（2011年B题）
2. 音频信号分析仪（2005年A题）
3. 声音导引系统（2013年A题）
4. 声音信号的识别装置（2021年A题）

11. 调制信号产生

1. 调幅广播收音机（1999年A题）
2. 单工无线呼叫系统（2003年A题）
3. 数字调制解调器（2015年A题）
4. 软件无线电收发信机（2017年A题）

12. ATE系统

1. 简易逻辑分析仪（2009年A题）
2. 数字示波器（2013年A题）
3. 简易数字信号传输性能分析仪（2013年B题）
4. 电子器件自动测试系统（2023年B题）

13. 精密温控

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）

- 超高精度：20位分辨率，1ppm线性度满足最严格精度要求 - 低噪声：2nV/√Hz噪声密度，适合微弱信号测量应用 - 宽输出范围：±10V输出适应大多数工业标准 - 快速建立：10μs建立时间支持高速控制应用 - 温度稳定：0.05ppm/°C温度系数保证长期精度 - 灵活配置：多种输出范围和极性选择 - 完善保护：过载保护和ESD保护保证系统可靠性

本模块特别适合需要高精度模拟信号输出的竞赛项目，是精密信号源、仪器校准、传感器激励等应用的核心器件。其超高精度和优异的温度稳定性使其成为高端测量仪器和控制系统的理想选择。