數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)簡介

為什么需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器?因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)世界中，大多數(shù)數(shù)據(jù)本質(zhì)上都是以模擬的形式提供的。目前有兩種類型的轉(zhuǎn)換器，分別是模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。在處理數(shù)據(jù)時，這兩個轉(zhuǎn)換接口對于數(shù)字電子設(shè)備和模擬電子設(shè)備是必不可少的，它們需要由處理器處理以產(chǎn)生所需的操作。

例如下面的DSP插圖，ADC將麥克風(fēng)(傳感器)等音頻輸入設(shè)備收集的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號，計(jì)算機(jī)可能會添加聲音效果?，F(xiàn)在，DAC會將數(shù)字聲音信號再處理成模擬信號，供揚(yáng)聲器等音頻輸出設(shè)備使用。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)

數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC，是將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的設(shè)備。根據(jù)Nyquist-Shannon采樣定理，任何采樣數(shù)據(jù)都可以通過帶寬和Nyquist標(biāo)準(zhǔn)完美地重建。

DAC可以精確地將采樣數(shù)據(jù)重建為模擬信號。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可以由微處理器、專用集成電路 (ASIC) 或現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)產(chǎn)生，但最終數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為模擬信號才能與現(xiàn)實(shí)世界交互。

常用轉(zhuǎn)換架構(gòu)

數(shù)模轉(zhuǎn)換常用的方法有兩種，一種是加權(quán)電阻法，另一種是使用R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)法。

1、使用加權(quán)電阻方法的DAC

下圖是使用加權(quán)電阻的DAC。DAC的基本操作是添加輸入的能力，這些輸入最終將對應(yīng)于數(shù)字輸入的各個位的貢獻(xiàn)。在電壓域中，即如果輸入信號是電壓，則可以使用下圖所示的反相加法放大器實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制位的相加。

在電壓域中，即如果輸入信號是電壓，則可以使用上圖所示的反相加法放大器實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制位的相加。

運(yùn)算放大器的輸入電阻器的電阻值以二進(jìn)制格式加權(quán)。當(dāng)接收二進(jìn)制1時，開關(guān)將電阻連接到參考電壓。當(dāng)邏輯電路接收到二進(jìn)制0時，開關(guān)將電阻接地，所有數(shù)字輸入位同時應(yīng)用于DAC。

DAC生成對應(yīng)于給定數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號的模擬輸出電壓。對于DAC，給定的數(shù)字電壓為b3 b2 b1 b0，其中每個位都是二進(jìn)制值(0 或 1)。輸出端產(chǎn)生的輸出電壓為：

V0=R0/R (b3+b2/2+b1/4+b0/8) Vref

隨著數(shù)字輸入電壓的位數(shù)增加，電阻值的范圍變大，因此精度變差。

2、R-2R梯形數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)

R-2R梯形DAC構(gòu)建為二進(jìn)制加權(quán)DAC，它使用電阻值R和2R的重復(fù)級聯(lián)結(jié)構(gòu)。由于生產(chǎn)等值匹配電阻器(或電流源)相對容易，這提高了精度。

上圖顯示了4位R-2R梯形DAC。為了達(dá)到高水平的精度，這里選擇了電阻值R和2R。設(shè)二進(jìn)制值B3 B2 B1 B0，如果b3=1，b2=b1=b0=0，則電路如下圖所示，是上述DAC電路的簡化形式。輸出電壓為：

V0=3R(i3/2)= Vref/2

同理，如果b2=1，b3=b1=b0=0，則輸出電壓為V0=3R(i2/4)=Vref/4，電路簡化如下：

如果b1=1，b2=b3=b0=0，那么下圖所示的電路就是上述DAC電路的簡化形式，則輸出電壓為V0=3R(i1/8)= Vref/8

最后，對應(yīng)于b0=1 和 b2=b3=b1=0 的情況。輸出電壓為 V0=3R(i0/16) = Vref/16，電路如下所示：

這樣可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)為b3b2b1b0(其中各個位為0或1)時，則輸出電壓為：

主要應(yīng)用

DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器用于許多數(shù)字信號處理應(yīng)用和更多應(yīng)用，下面簡單的列舉一些：

1、音頻放大器

DAC用于通過微控制器命令產(chǎn)生直流電壓增益。通常情況下，DAC將被整合到包括信號處理功能的整個音頻編解碼器中。

2、視頻編碼器

視頻編碼器系統(tǒng)將處理視頻信號并將數(shù)字信號發(fā)送到各種DAC，以產(chǎn)生各種格式的模擬視頻信號，同時優(yōu)化輸出電平。與音頻編解碼器一樣，這些IC可能具有集成的DAC。

3、電子顯示器

圖形控制器通常會使用查找表來生成發(fā)送到視頻DAC的數(shù)據(jù)信號，用于模擬輸出，例如紅、綠、藍(lán) (RGB) 信號以驅(qū)動顯示器。

4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

要測量的數(shù)據(jù)由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 數(shù)字化，然后發(fā)送到處理器。數(shù)據(jù)采集還將包括一個過程控制端，其中處理器將反饋數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC以轉(zhuǎn)換為模擬信號。

5、校準(zhǔn)

DAC為增益和電壓偏移提供動態(tài)校準(zhǔn)，以確保測試和測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

6、電機(jī)控制

許多電機(jī)控制都需要電壓控制信號，而DAC非常適合這種可能由處理器或控制器驅(qū)動的應(yīng)用。

7、數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)

許多工業(yè)和工廠生產(chǎn)線需要多個可編程電壓源，這可以由一組多路復(fù)用的 DAC 生成。DAC 的使用允許在系統(tǒng)運(yùn)行期間動態(tài)改變電壓。

8、數(shù)字電位器

幾乎所有數(shù)字電位器都基于串DAC架構(gòu)。通過對電阻器/開關(guān)陣列進(jìn)行一些重組，并添加一個 I2C 兼容接口，可以實(shí)現(xiàn)一個全數(shù)字電位器。

9、軟件無線電

DAC與數(shù)字信號處理器 (DSP) 一起使用，將信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，以便在混頻器電路中傳輸，然后傳輸?shù)綗o線電的功率放大器和發(fā)射器。

總結(jié)

以上就是關(guān)于數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)工作原理及電路圖等相關(guān)內(nèi)容技術(shù)，希望大家對其概念有更好的理解。其實(shí)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)在電子電路中是很常見的，而且應(yīng)用也非常的廣泛。

需要注意的是，再使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)的時候，需要考慮到電源抑制比、工作溫度范圍、失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差等相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。