dac(digital to analog converter)是將數碼訊號變換為模擬訊號的器件,在數位電路中得到廣泛應用。數位電路中使用數字訊號處理資料,可以使電路獲得更高的抗干擾能力,同時資料處理方法也更加靈活,但在訊號的輸入和輸出端,反饋訊號與被控物件控制量仍然可能是模擬訊號,模擬輸入量可以通過adc(analog to digital converter)變換為數碼訊號,在訊號輸出端使用dac將數碼訊號還原為模擬訊號。
本文首先給出數電中的倒t型網路dac工作原理,分析優缺點,然後給出r2r電阻網路dac的工作原理及輸出計算方式。
數電書給出了倒t型電阻網路組成dac的原理。使用運算放大器的求和電路,將參考電壓或地通過不同位權的電阻連線到加法電路輸入端。
如上圖為乙個8bit倒t型網路dac,t在哪我不告訴你(由於簡化了輸入端所以看不到了),每個r前面的數字代表電阻的量,圖中只給出比例。圖中是乙個8輸入的求和電路,帶有反向功能。根據虛短,由於正輸入端接地,因此負輸入端也是0電位,8個二進位制輸入d0-d7,每一位的輸出電壓均為0或者vref,其中若d7單獨置位,輸出為vref/2,d6單獨置位,輸出為vref/4,以此類推,d0單獨置位,輸出為vref/256,若其中多個位同時置位,那麼輸出就是他們各自對應輸出之和,這就是倒t型網路dac的原理。
由於加法器運放的輸出是反向的,因此要想電路工作,需要使用雙電源供電,最好後面再跟一級反相器,因此給應用帶來不便,而且需要大量不同阻值的電阻,還要求均為2倍關係,標準阻值很難滿足要求。
r2r電阻網路dac是單純的電阻網路,不需要運放的輔助,乙個n位的r2r電阻網路dac需要n-1個r電阻和n+1個2r電阻,只需要兩種阻值,方便手工製作,在精度要求不高的應用中,可以直接使用電阻搭建,避免使用整合dac,從而降低成本。
如圖為8bit的r2r電阻網路dac的原理圖,這個電路最神奇的地方在於,無論從哪個位置斷開,向內看阻抗均為r。輸出阻抗固定為r,由於輸出阻抗恆定且容易計算,因此在輸出做阻抗匹配時候比較方便。
以1bit的r2r為例如下圖:
d0的值可以為0或vref,vout的值就是0或者vref/2,輸出阻抗為兩個電阻的併聯值,即一倍的r,可以將兩個電阻等效為1個,輸出表示式為d0*vref/2,如下圖:
等效為乙個電壓源連線乙個輸出阻抗的結構,這個等效方法,以後會詳細分析,我給它命名為匠人電路等效定理(無恥的樣子很有我當年的神韻),可以將上面的8bitdac反覆等效,最終得到輸出表示式。
加入第二個有效位d1以後,又出現了兩個2r電阻分壓,輸出等效為d0*vref/4+d1*vref/2,如此一直將8bit的網路簡化到乙個電壓源和乙個電阻,表示式為d0*vref/256+d1*vref/128+d2*vref/64+d3*vref/32+d4*vref/16+d5*vref/8+d6*vref/4+d7*vref/2。如此每一位都發揮了有效的位權,輸出電壓有256種變化。
這種dac電路可以在的精度要求時直接用微控制器引腳驅動,當然了,位數沒必要太多,因為引腳電壓精度本來就不高。
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