DAC(Digital to Analog Converter)是将数字信号变换为模拟信号的器件,在数字电路中得到广泛应用。数字电路中使用数字信号处理数据,可以使电路获得更高的抗干扰能力,同时数据处理方法也更加灵活,但在信号的输入和输出端,反馈信号与被控对象控制量仍然可能是模拟信号,模拟输入量可以通过ADC(Analog to Digital Converter)变换为数字信号,在信号输出端使用DAC将数字信号还原为模拟信号。
本文首先给出数电中的倒T型网络DAC工作原理,分析优缺点,然后给出R2R电阻网络DAC的工作原理及输出计算方式。
数电书给出了倒T型电阻网络组成DAC的原理。使用运算放大器的求和电路,将参考电压或地通过不同位权的电阻连接到加法电路输入端。如上图为一个8bit倒T型网络DAC,T在哪我不告诉你(由于简化了输入端所以看不到了),每个R前面的数字代表电阻的量,图中只给出比例。图中是一个8输入的求和电路,带有反向功能。根据虚短,由于正输入端接地,因此负输入端也是0电位,8个二进制输入D0-D7,每一位的输出电压均为0或者Vref,其中若D7单独置位,输出为Vref/2,D6单独置位,输出为Vref/4,以此类推,D0单独置位,输出为Vref/256,若其中多个位同时置位,那么输出就是他们各自对应输出之和,这就是倒T型网络DAC的原理。由于加法器运放的输出是反向的,因此要想电路工作,需要使用双电源供电,最好后面再跟一级反相器,因此给应用带来不便,而且需要大量不同阻值的电阻,还要求均为2倍关系,标准阻值很难满足要求。R2R电阻网络DAC是单纯的电阻网络,不需要运放的辅助,一个n位的R2R电阻网络DAC需要n-1个R电阻和n+1个2R电阻,只需要两种阻值,方便手工制作,在精度要求不高的应用中,可以直接使用电阻搭建,避免使用集成DAC,从而降低成本。如图为8bit的R2R电阻网络DAC的原理图,这个电路最神奇的地方在于,无论从哪个位置断开,向内看阻抗均为R。输出阻抗固定为R,由于输出阻抗恒定且容易计算,因此在输出做阻抗匹配时候比较方便。以1bit的R2R为例如下图:D0的值可以为0或Vref,Vout的值就是0或者Vref/2,输出阻抗为两个电阻的并联值,即一倍的R,可以将两个电阻等效为1个,输出表达式为D0*Vref/2,如下图:等效为一个电压源连接一个输出阻抗的结构,这个等效方法,以后会详细分析,我给它命名为匠人电路等效定理(无耻的样子很有我当年的神韵),可以将上面的8bitDAC反复等效,最终得到输出表达式。加入第二个有效位D1以后,又出现了两个2R电阻分压,输出等效为D0*Vref/4+D1*Vref/2,如此一直将8bit的网络简化到一个电压源和一个电阻,表达式为D0*Vref/256+D1*Vref/128+D2*Vref/64+D3*Vref/32+D4*Vref/16+D5*Vref/8+D6*Vref/4+D7*Vref/2。如此每一位都发挥了有效的位权,输出电压有256种变化。
这种DAC电路可以在的精度要求时直接用单片机引脚驱动,当然了,位数没必要太多,因为引脚电压精度本来就不高。