EI 03/00-03704 Bauelemente-D

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Digital-Analog-Wandler:
Ein Bit analog
Uwe Bröckelmann Trotz der weiten Verbreitung digitaler Elektronik bleibt die reale Welt weiterhin analog. An der Schnittstelle vom digitalen Bereich zur physikalischen Größe bedarf es Digital Analog Converter (DAC), die in verschiedensten Varianten auf dem Markt erhältlich sind. Der Artikel
beschreibt die wichtigsten Parameter, die bei der Auswahl
eines geeigneten DACs berücksichtigt werden sollten und
stellt interessante Eigenschaften neuer Bausteine dar.
D
ass mittlerweile die meisten elektronischen Geräte eine digitale Steuerung
enthalten, hat aktuell das Jahr 2000-Problem deutlich gemacht. Trotzdem benötigt man zur Ansteuerung eines Stellgliedes, z. B. eines Ventils oder auch eines
Lautsprechers weiterhin eine analoge
Größe. Die Umwandlung von der digitalen in die analoge Umgebung erfolgt typischerweise mit einem Wandlerbau-
Bild 1b: Differentielle Nichtlinerität
stein. Je nach Anforderung an die Konvertierung und Rahmenbedingungen
im System kann die Auswahl eines geeigneten ICs aus einer großen Vielzahl
von Standardbausteinen erfolgen.
Auflösung
Das Hauptaugenmerk bei der Auswahl
eines DACs gilt zunächst der Auflösung
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eines Bausteins, d.h.
die Anzahl der Stufen, aus der ein ausgegebener analoger
Wert maximal bestehen kann. Die
größte Auswahl auf
dem Markt erhältli- Bild 1a: Integrale Nichtlinearität
cher Bausteine liegt
im Bereich 8- bis 16bit-Auflösung, d.h. bei 256 triebssoftware verbessert werden kann.
bis 65536 Stufen. Allerdings High-end DACs liegen bei Werten kleisagt die angegebene Auflö- ner oder gleich ±1 LSB.
sung noch nichts über die Die differentielle Nichtlinearität (DiffeGenauigkeit eines Bausteins rential Nonlinearity = DNL) beschreibt
aus, da noch einige Fehler- den Unterschied zwischen einer tatquellen berücksichtigt wer- sächlich auftretenden Schrittweite und
den müssen. Da wäre zu- dem idealen Wert von genau einem LSB.
nächst die integrale Nichtli- Anzustreben ist eine DNL kleiner oder
nearität
(Integral
Nonlinearity = INL),
diese
beschreibt
die
Abweichung
der Übertragungsfunktion eins DACs
von einer geraden
Linie. Diese gerade
Linie kann entweder durch die bestmögliche Approximation an die
tatsächliche Übertragungsfunktion
oder durch das Verbinden der Endpunkte, wenn Offset- und Verstärkungsfehler
abgezogen
wurden, bestimmt werden. Bei
DACs wird die Abweichung an
jedem einzelnen Punkt gemessen. Die Ermittlung der INL ist in
Bild 1a dargestellt. Low-cost
Bausteine weisen eine INL bis zu
±16 LSB- (LSB = Least significant
bit) auf, welche eventuell durch
Korrekturfaktoren in der Be- Bild 1c: Offset-Fehler
E
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gleich 1 LSB, da damit der DAC monoton
ist, d.h. ein kleinerer Wert niemals einen
größeren Ausgabewert wie ein höherer
Wert haben kann, und keine Daten verloren gehen. Bild 1b zeigt die Ermittlung der DNL anhand einer Übertragungsfunktion.
Bild 1c stellt einen Offset-Fehler dar, d.h.
die bleibende Abweichung des Ausgabewertes vom Idealwert. Bei einem DAC
ist der Offset-Fehler die Ausgangsspannung bei der digitalen Eingabe 0. Dieser
Fehler bleibt konstant für alle Eingabewerte und kann üblicherweise durch
Abgleichen der Schaltung kompensiert
werden. Häufig wird der Wert nicht in
LSB, also abhängig von der durch die Referenzspannung bestimmte Schrittweite der Ausgangsspannung, sondern als
Absolutwert in mV angegeben. Gute
Werte liegen dabei bei kleiner oder
gleich ±10 mV.
Der Verstärkungsfehler wird wie in Bild
1d bestimmt als die Abweichung der
idealen maximalen Ausgangsspannung
von dem tatsächlichen Maximalwert der
Übertragungsfunktion nach Abzug des
Offsetfehlers. Dieser Fehler ändert die
Anstiegsrate der Übertragungsfunktion
und liefert prozentual für jeden Schritt
den gleichen Fehleranteil. Er wird in Prozent des Maximalwertes, LSB oder auch
in mV angeben.
Dateninterface
In früheren Jahren waren parallele Datenschnittstellen die meist verbreitetsten. Sie haben immer noch den Vorteil
einer schnelleren Datenübertragung
und eines einfacheren Datenprotokolls.
Serielle Schnittstellen bieten vor allem
den Vorteil des geringeren Platzbedarfs,
sowohl durch die geringere Anzahl der
nötigen Leiterbahnen als auch durch
die geringere Pin-Zahl des Bausteingehäuses.Wegen der einfacheren Handhabung sowohl für den Halbleiterhersteller als auch für den Kunden hat sich
bei den seriellen Schnittstellen die SPI
oder verwandte Typen gegenüber der
I2C-kompatiblen 2-Draht-Schnittstelle
Dynamische Ausgangseigenschaften
Der ideale DAC würde sofort nach Anlegen eines Digitalwertes den entsprechenden analogen Wert am Ausgang
liefern. In der Praxis vergeht bei einem
DA-Wandler dabei aufgrund von internen Laufzeiten und begrenzten Anstiegszeiten der Ausgangstreiber eine
gewisse Zeit, die sogenannte Einschwingzeit (Settling time). Dies ist die
Zeit vom Start einer Wandlung bis zu
dem Zeitpunkt, an dem der DAC seinen
neuen Ausgangswert unter Berücksichtigung eventueller statischer Fehler stabil ausgibt.
Des weiteren kann am Ausgang eines
DACs ein Rauschen gemessen werden,
das als digitaler Durchgriff bezeichnet
wird. Jedesmal wenn am Eingang des
DAC ein digitales Signal seinen Zustand
ändert, kann dies als Rauschen am Ausgang beobachtet werden. Dieser vom
DA-Wandler selbst herbeigeführter Effekt kann durch schlechte Masseverbindung und Leiterbahnverlegung noch
verstärkt werden.
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durchgesetzt. Sie besitzt ein 3-Draht Interface, je eine Leitung für Dateneingabe, Datenausgabe und Clock. Des weiteren braucht man noch eine Leitung für
die Bausteinansteuerung, d.h. für Chipselect. Da oft eine galvanische Trennung
des Datenpfades nötig ist, bietet die 3Draht-Schnittstelle einen weiteren Vorteil durch die jeweils nur unidirektiona-
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len Datenleitungen. Diese sind leicht
über Optokoppler zu führen. Neue
DACs, wie der MAX5539 oder der
MAX5543 mit je 12 bit, haben die galvanische Trennung bereits im Gehäuse integriert. Dies vereinfacht den Aufbau
analoger Datenausgaben für den Industriebereich erheblich.
Referenzspannung
Die Referenzspannung, die je nach verwendeten Baustein im DAC selbst erzeugt oder extern angelegt wird, bestimmt im hohe Maße die Eigenschaften eines DA-Wandlers. Zunächst bestimmt die Höhe der Referenzspannung
(REF) die maximale Ausgangsspannung E
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meist nur für einen
eingeschränkten
Temperaturbereich
nutzbar. Eine Ausnahme bildet dabei
die 12-bit-/13-bitDAC-Familie MAX51
22/5132 mit einer
präzisen integrierten
Referenz mit max. 10
ppm/°C (typ. 3 ppm/
°C) Drift.
Beim Anschluss einer externen Referenz sind außer des
Strombedarfs und
des Spannungsbereiches des DAC-Referenzeinganges je
nach inneren Aufbau noch dynamische Effekte zu beachten. Bei Ände-
DACs mit einem externen Referenzeingang, wie z.B. der MAX5170, können
auch im multiplizierenden Modus betrieben werden. Dabei wird wie im Bild
2 dargestellt am Referenzeingang keine
Konstantspannung, sondern eine variable Spannung angelegt. Die angelegte
Spannung wird dann mit dem eingestellte Digitalwert multipliziert und am
Ausgang ausgegeben, so dass der DAC
quasi als genaues digitales Potentiometer arbeitet. Für diese Betriebsweise ist
die Frequenz-Bandbreite, der Spannungsbereich und eventuell weitere dynamische Eigenschaften des Referenzeingangs, wie z. B. der Durchgriff einer
Spannung am Referenzeingang auf den
Ausgang beim Digitalwert 0 zu berücksichtigen.
Bild 1d: Verstärkungsfehler
eines DACs, wenn keine zusätzliche Ausgangsverstärkung vorhanden ist. Außerdem definiert sie die Schrittweite, um
die sich bei Änderung eines LSB am Eingang die Ausgangsspannung ändert.
Diese ergibt sich zu REF/2n, wobei n
gleich der Auflösung des DACs ist.
Die Ausgangsspannung einer Referenz
schwankt bei konstanter Temperatur in
einem gewissen Bereich, der durch die
Anfangsgenauigkeit (Initial accuracy)
charakterisiert wird. Des weiteren driftet
die Ausgangsspannung mit der Temperatur, was sich natürlich auch auf die Güte des DA-Wandlers auswirkt. Tabelle 1
zeigt verschiedene Beispiele von Referenzen, die je nach erforderlichen Temperaturbereich dafür Sorge tragen, dass
der Fehler durch die Referenz nicht größer ±1 LSB beträgt.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass DACs
hohe Anforderungen an eine Referenz
bezüglich der Temperaturdrift stellen.Integrierte Referenzen, die meist im Bereich 100 ppm/°C liegen, sind daher
VDD
REF
OUT
OUT = REF* N
mit N<1
DIN
N
Bild 2: Multiplizierender DA-Wandler
rung des angelegten digitalen Wertes
kann es auch zu einer Änderung des
Eingangswiderstandes am Referenzeingang kommen. Die verwendete Referenz muss in der Lage sein diese Lastsprünge in der geforderten Zeit auszuregeln oder sie muss mit einem Kondensator oder Operationsverstärker gepuffert werden.
Ausgangsstufen
Generell sind zwei verschieden DACAusgangsstufen zu unterscheiden: Der
Spannungs- und der Stromausgang.
Wegen seiner leichteren Handhabbarkeit hat der Spannungsausgang den
weit größeren Marktanteil. Maxim bietet
VDD REF
VDD
REF
DAC
VI
FB R1
R2
OUT
DAC
OUT
GND
Bild 3a: DAC mit Force-Sense-Ausgang
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IOUT
DAC
T
FB
GND
R
Bild 3b: Applikation für einen Stromausgang
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zusätzlich den Ausgang auf 0 V oder die
+V
halbe max. Ausgangsspannung, was vor allem bei bipolaren Betrieb interessant ist,
VDD
einstellt. Die meisten
neuen Bausteine werDIN
den unipolar versorgt,
DAC
können jedoch mit eiOUT
nen externen bipolaren Verstärker auch biVSS
GND
polare Ausgangssignale liefern, die die halbe
max. Ausgangsspannung als Nullinie ver-V
wenden. Verschiedene
Bausteine wie z.B. der
12 bit MAX530 können Bild 4: Schutzbeschaltung gegen Latch-up-Effekte
auch bipolar versorgt
werden und direkt bipolare Ausgangsspannungen erzeugen. nung. Insbesondere sollte bei Power-up
Bei der Versorgung der Bausteine ist und -down keine Daten am digitalen
außerdem zu beachten, dass es zu Eingang anliegen. Eventuell ist ein
Latch-up Effekten kommen kann, wenn Schutz mit Schottkydioden nach Bild 4
die Spannung am digitalen Eingang um einzubauen. Für hohe Frequenzen bis
0,3 V größer ist als die Versorgungsspan- 400 MS/s ist eine große Familie von
Hochgeschwindigkeits-DACs von Maxim verfügbar, bei deren Auswahl weiteMax.TemperaMax.Temperare Parameter berücksichtigt werden
turdrift (ppm/°C)
turdrift (ppm/°C)
müssen, auf die in diesem Artikel aber
bei 0 ... 70 °C)
bei -40 ... 85 °C)
nicht weiter eingegangen werden soll.(jj)
dabei bei einigen Bausteinen neben eine Spannungsausgang mit fester Verstärkung auch Bausteine mit herausgeführten Verstärkeranschlüssen, den sogenannten „Force-Sense“ Ausgang, an.
Bei letzteren lässt sich einfach durch
zwei externe Widerstände eine individueller Verstärkungsfaktor einstellen (Bild
3a). Aber auch eine Stromschnittstelle
ist mit dem Force-Sense Spannungsausgang einfach zu realisieren, wie in Bild
3b dargestellt.
Ein besonderes Feature bieten die Bausteinfamilien MAX5120 bzw. MAX5170,
die sogenannte „Glitch“-Verhinderung
bei Spannungshochlauf. Ohne spezielle
Maßnahmen folgt der Ausgang der Versorgungsspannung beim Hochlaufen
bis die interne Schaltung zu arbeiten beginnt. Dies macht sich am Ausgang an
einem bis zu 3 V hohen Impuls bemerkbar, der nachfolgende Schaltungen stören kann. Die Familie MAX5120 bzw.
MAX5170 unterdrückt diesen Impuls.
Des weiteren bieten sie einen Power-up
Reset, der alle internen DAC-Register
beim Spannungshochlauf löscht und
Auflösung
(bit)
Anzahl
Stufen
1 LSB bei
2,5 V (mV)
8
256
9,766
111,61
62,50
10
1024
2,441
27,90
15,63
12
4096
0,610
6,98
3,91
13
8192
0,305
3,49
1,95
14
16384
0,153
1,74
0,98
16
65536
0,038
0,44
0,24
Tabelle 1: Maximal zulässige Temperaturdrift von 2,5-V-Referenzen für einen
Fehler von weniger als ±1 LSB
704
MAXIM
Dipl.-Ing. Uwe Bröckelmann ist Mitarbeiter der Maxim GmbH,Gräfelfing
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