在選擇數位類比轉換器(DAC)時，研發人員可自由選擇為數眾多的IC。DAC可根據應用分成許多類型。亦即根據直流電或低速調整，或是需要高速波形產生等功能，進一步來縮限選擇目標的範圍。本文主要探討低速應用的需求，包括低解析度或高解析度，以及粗調與微調等類型。
在選擇低速DAC方面，重點在於判斷設計屬於封閉循環、開放式迴路、或設置後不理的「免維護」(Set and Forget)系統，而每種系統都需要一個DAC來支援特定的關鍵規格。
封閉循環系統可修正錯誤
封閉循環(Closed Loop)系統內含一個回饋通道，連結感測元件，並能針對任何錯誤進行修正。感測器會監視物理參數的輸出值，像是伺服馬達、節流閥或溫度感測元件。之後感測器將資料回饋送到控制器，控制器再根據這項資訊判斷是否須要校正。
在一個封閉循環系統的核心中，數位類比轉換器與類比數位轉換器(ADC)均是重要的元件。前饋通道設置的DAC，用來對系統進行調整，回饋通道中的ADC則用來監視這些調整動作的效果。這些元件整合後，執行與感測類比控制訊號，針對所控制的參數進行實際的調整。
圖1所示的馬達控制是一個封閉循環系統的例子。首先將一個輸出(設定點)套用到控制器，再與回饋訊號進行比對。若須要校正，控制器會調整傳送至DAC的輸入碼，之後再於輸出端產生一個類比電壓。DAC輸出電壓透過一個功率放大器進行放大，產生需要的電流來驅動馬達。
這個封閉循環系統的下一個階段，運用一個轉速計來量測馬達的旋轉速度。實際輸出的是旋轉數據訊號，或是封閉循環系統的處理變數。ADC將轉速計的輸出值轉換成數位格式，然後將資料傳送給控制器，控制器會利用一個演算法來判斷是否要在DAC輸出端和馬達端進行校正。透過這種程序，即可把誤差壓低到可接受的水準。回饋機制讓封閉循環系統能夠抵銷所有誤差，有效限制任何雜訊源、溫度、力量或其他訊號所產生的負面效應。
封閉循環系統的效能有賴一個精準的回饋通道，包括感測器與ADC。回饋通道能補償前饋通道中的各種誤差。由於DAC是在前饋通道，因此積分性失真(INL)誤差就會自動被補償。INL誤差來自DAC輸出端的實際轉換函式與理想轉換函式之間的差異。而DAC則須擁有理想的微分非線性(DNL)，而且必須與規格資料中的位元數據維持單調性。DNL誤差則是DAC類比輸出的實際電壓變化與理想電壓步級之間的差距，此步級等於DAC輸入碼中一個最低有效位(LSB)步級。單調性DAC，意謂類比輸出只會增加，或當數位碼增加時維持不變(反之亦然)。
DNL規格永遠大於 -1LSB，即代表單調性。圖2顯示DAC類比輸出電壓的轉換函式及DAC輸入碼。
若DAC並不是單調性，就可能出現負向回饋變成正向回饋的情況。如此可能導致震盪，最終使得馬達故障。
開放式迴路系統具精準度
開放式迴路(Open Loop)系統並沒有回饋通道。這意謂系統本身必須具備足夠的精準度。開放迴路控制機制適用於定義完備的系統，其輸入碼與負載端產生的動作，均已被充分掌握。若負載無法完全被預測，則較適合採用封閉循環的控制機制。
圖3顯示一個開放式迴路系統的例子。在這個例子中，DAC驅動LT3080線性調節器的SET電壓接腳。SET接腳連結至誤差放大器的輸入端，並決定輸出電壓的調整設定點。LT3080的輸出電壓範圍從零伏特，一直到額定輸出電壓的最大值。
在SET接腳的調整幅度方面，DAC的解析度決定步級的大小。舉例來說，一個8位元、5伏特參考電壓的DAC，其LSB為5伏特/28=19.5毫伏特(mV)。一個參考電壓為5伏特的12位元DAC，其LSB為1.2毫伏特；一個16位元DAC的LSB為76伏特。這意謂對於一個理想DAC而言，數位碼增加一級，類比輸出就會增加76伏特。
開放式迴路系統的其他重要參數包括偏移、增益誤差、參考電壓的誤差，以及這些參數在經過長時間與溫度變化下的穩定性。其中INL尤其重要，因為和封閉循環系統不同的是，DAC的INL與系統的整體線性度有直接關係。
免維護系統只需一次調整校正
在第三種應用中，DAC的線性度扮演重要的角色，也就是「免維護」系統。在這類的系統中，只進行一次調整或校正，可能是在製造或安裝時進行。因此這種系統一開始是封閉循環系統，之後變成開放式迴路系統。而任何與初期精準度有關的參數(偏移、增益誤差、INL)都不重要，因為在調整時就能補償。但在移除回饋後，穩定度就相當重要。產品規格有關穩定度的數據，包括增益誤差漂移、零點漂移及參考點漂移。
圖4顯示一個設置後不理的「免維護」應用的例子。在此圖中，由一個解析度較低的DAC來驅動一個可編程增益放大器，此放大器在一個偏移調整接腳上設定電壓值，藉此維護一個精準的DAC。在初期系統校正時，利用較低解析度DAC來校正精準DAC的增益誤差。這個調整碼可儲存在非揮發性記憶體，每次系統啟動時再載入這個調整碼。
鎖定DAC直流電規格
在決定選用封閉循環、開放式迴路或「免維護」系統後，接著就該為目標工作選擇最佳的DAC。如先前所述，有些應用須要粗調功能，意謂系統只需要有限的可變設定。在這種情況中，解析度8位元或10位元的DAC就已足夠。對於須微調控制的系統而言，就需要一個12位元解析度的DAC。16位元與18位元的DAC提供現今市面上單位LSB的最微細解析度。
LTC2600是一款16位元八通道DAC，其專為封閉循環系統設計。從其DC規格資料中就可看出。正常的INL為±12LSB，最高值為±64LSB。圖5顯示這些規格，還有INL曲線與底部的輸入碼。16位元單調性與±1LSB DNL誤差，讓系統能在前饋通道中進行精準的控制。如先前所述，對於封閉循環系統而言，前饋誤差並不重要，因為DAC是單調性。
LTC2656則是一款8進制DAC，為所有八個DAC提供16位元的單調性，以及卓越的±4LSB INL誤差，因此適合用在開放式迴路或封閉循環系統。圖6顯示LTC2656典型INL與碼圖，包括封裝內所有八個DAC。LTC2656提供16位元8進制DAC中最佳的INL。
單一封裝內的八個DAC要達到高線性度，絕非一項簡單的設計工作。在設計時必須考量，在溫度變化後，封裝的壓力與電壓偏移的情況。要讓單一DAC達到更小的INL規格，其設計的難度就會小很多。例如，凌力爾特(Linear Technology)的LTC2641正是一款16位元DAC，提供最高DC規格的±1LSB INL與DNL。
除了INL與DNL外，要考量的重要DC規格包括偏移誤差(或零點誤差)和增益誤差(或滿刻度誤差)。偏移誤差指的是在或接近零點輸入碼時，實際轉換函式與理想轉換函式間的相似度。對於須要精準控制的應用而言，偏移誤差非常重要。LTC2656的最大偏移誤差達到極低的±2毫伏特。
增益誤差指的是，實際轉換函式的斜率與理想轉換函式斜率間的相似度。增益誤差與滿刻度誤差有時可互換使用，但滿刻度誤差包含增益誤差與偏移誤差。LTC2656的最高增益誤差為 ±64LSB，等於滿刻度誤差為0.098%(64/ 65,536)。
具備理想偏移誤差與增益誤差的DAC，讓系統無須在控制器的軟體或FPGA中進行校正。在長時間運作與溫度變化下漂移幅度極低的DAC，讓設計工作更為簡單，因為系統工程不必經常執行校正程序。
選擇輸出±10伏特的DAC
先前所述的DAC適合用在單源或單極的0～5伏特系統。但有些封閉循環、開放式迴路或免維護系統則需要±10伏特DAC。對於高伏特系統而言，設計人員可運用單極0～5伏特DAC，搭配一個可編程增益放大器，來執行增益或電平偏移作業，或者直接由DAC提供±10伏特訊號。
凌力爾特提供單組、雙組與四組DAC組態的方案，並可輸出±10伏特的電壓。LTC1592就是單一16位元DAC的例子，內含兩個單極與四個雙極可設定輸出範圍。其輸出電壓範圍包括0～5伏特、0～10伏特、±2.5伏特、±5伏特、±10伏特及-2.5～7.5伏特。因此，同一個DAC可用在單極與雙極系統，不必重新編程控制器。例如，要將DAC的輸出範圍從0～5伏特改成±10伏特，僅須把序列位元流中的幾個位元改成DAC即可。
根據數據選最合適DAC
對於開放式迴路、封閉循環或「免維護」系統而言，DAC均屬於重要元件。這些系統都需要不同精確度與解析度的DAC。在特定的解析度中，須在許多因素間取得平衡點，如價位、封裝尺寸、參考精準度及輸出阻抗等。對於最高精準度系統而言，必須根據規格表中的多項數據來選擇適合的DAC，還須考量DC規格的精準度，如INL、DNL、偏移誤差及增益誤差等數據均符合所述。
(本文作者為凌力爾特混合訊號產品部門應用工程經理)