微功耗高速串行数模转换器AD5300及其应用

    摘要：AD5300是美国AD公司产生的CMOS单电源串行8位数据转换器，它具有体积小、功耗低、接口简单宽工作电压等优点，特别适用于电池供电的便携式仪器。文中介绍了AD5300的特点、功能和工作时序。同时给出了由AD5300组成的双极性电压输出D/A转换器的应用电路。

    关键词：AD5300 D/A转换 串行 时序 低功耗

1 AD5300的特点及功能

AD5300是美国ANALOG DEVICES公司生产的具有电压缓冲输出的高速串行8位DAC，它与10位数模转换器AD5310和12位数模转换器AD5320在引脚功能上完全兼容。

AD5300具有如下特点：

●采用单电源供电，电压范围为2.7～5.5V；

●微功耗，正常模式下的典型功耗为0.7mW（VDD=5V）或0.35mW(VDD=3V)，是电池供电设备的理想选择；

●具有独特的掉电工作模式，可大大降低芯片功耗，掉电模式下的典型工作电流为50nA（VDD=3V）或200nA(VDD=5V)；

●具有上电复位电路（Power-On-Reset），可在每次上电后自动复位；

●以电源电压VDD为芯片参考电压，从而使DAC具有0V～VDD最充容的动态输出范围；

●内含输出缓冲放大器，因而使DAC具有高达1Vμs的转换速率；

●采用高效的三级串行接口，可与SPI、QSPI、MICROWIRE总线及DSP接口标准兼容，串行时钟频率可高达30MHz。

AD5300的功能框图如图1所示，它主要由施密特触发输入电路、输入控制逻辑、移位寄存器、上电复位逻辑、8位DAC、输出缓冲放大器、掉电模式控制逻辑和电阻网络等部分组成。

AD5300共有两种封装形式：6脚SOT-23和8脚μSOIC，如图2所示，各引脚的功能说明如表1所列。

表1 AD5300的管脚及功能说明

管  脚	名  称	功  能  说  明
1	VOUT	DAC的模拟电压输出端，VOUT=0～VDD
2	GND	地
3	VDD	电源端，范围为2.5～5.5V
4	DIN	串行数据输入端。数据在SCLK的下降沿输入
5	SCLK	串行时钟输入端，频率可高达30MHz
6	SYNC	电平触发控制输入端（低电平有效）

2 AD5300的工作原理

2.1 AD5300的通信时序

    AD5300具有一个三线串行接口（SYNC，SCLK，DIN），它与SPI、QSPI、MICROWIRE及DSP接口标准兼容。AD5300通过这三线串行接口与外部通信，接收模式控制字及D/A转换的数字量存放在片内的16 bit移位寄存器中，一旦通信完成，DAC即把数字量进行D/A转换以输出与数字量成正比的模拟电压VOUT，VOUT由下式计算：

VOUT=VDDD/256

式中，VDD为芯片的工作电源电压；D为D/A转换的数字量。

AD5300为单向通信，它只有外部的写操作，其通信时序如图3所示。当SYNC由高变低时，通信开始，DIN在SCLK时钟信号的控制下，在SCLK的下降沿将数据输入移位寄存器。只有当16位数据全部输入寄存器，即SCLK的第16个下降沿过后，移位寄存器才将最新输入的数据加载进去，从而完成一次写操作。在串行数据输入AD5300时，其顺序是从D15开始，最后一位为D0。在串行数据输入过程中，SYNC必须保持为低电平，直到通信结束，否则，写操作无效。如果外部对AD5300进行一次写操作后，紧接着要进行第二次写操作，那么SYNC在第一次写操作完成后至少应保持33ns(VDD=3.6V～5.5V)或50ns(VDD=2.7V～3.6V)的高电平，以使SYNC能产生一个下降沿来启动下一次写时序。图4所示为16位移位寄存器的内容。

2.2 AD5300的工作模式

AD5300有4个独立的工作模式，即一个正常工作模式和三个掉电工作模式（PowerDown），模式选择可通过移位寄存器的PD1和PD0来决定，具体的工作模式分配情况如表2所列。

表2 AD5300的工作模式

PD1	PD0	工  作  模  式
0	0	正常模式
0	1	输出端接1kΩ电阻到地
1	0	输出端接100kΩ电阻到地
1	1	三态

AD5300在正常模式（模式0）下，输出端VOUT的输出为与数字量成正比的模拟电压；而在掉电模式时，其输出端VOUT将在芯片内部通过一个电阻接地（模式1、2）或保持开路（三态，模式3）。此时其芯片内部的移位寄存器的内容不变。正常工作模式（VDD=5V）时，芯片的典型工作电流为140μA，而掉电模式时的工作电流可下降到200nA或50nA（VDD=3V）。

3 典型接口电路

图5为AD5300与80C51的接口电路。80C51的TXD用于驱动AD5300的SCLK，而RXD则用于驱DIN，其SYNC由80C51的P3.3控制，在P3.3置低时，通信开始。由于80C51的串口一次仅能传送8位数据，因此，在一次传送完成后（高8位数据），应接着第二次传送（低8位数据），在此期间，P3.3（SYNC）应一直保持为低，直到通信结束。值得注意的是：80C51串口的数据输出是低位先出，而AD5300的16位移寄存器则是高位先入，因此，在80C51向AD5300写操作前应将数据作相应的调整。

AD5300与CPU的接口与可以参照80C51的双向I/O口模拟串行通信时序来实现对AD5300的写操作。

4 双极性电压输出D/A转换电路

图6所示电路是由AD5300和运放AD820组成的双极性电压输出D/A转换器，其数字量00H对应于模拟输出电压的-5V，而FFH则对应+5V输出。输出电压可通过下式计算：

Vo=VDD（D/256）[(R1+R2)/R1]-VDD（R2/R1）

当R1=R2=10kΩ，VDD=5V时，Vo=10D/256