DAC與數(shù)字電位器：哪個(gè)適合我的應(yīng)用

本應(yīng)用筆記比較了數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和數(shù)字電位器。傳統(tǒng)上，數(shù)字電位器旨在取代簡單的機(jī)械電位器。隨著最近分辨率和附加功能的提高，數(shù)字電位計(jì)也可用于一些傳統(tǒng)的DAC插座。同樣，傳統(tǒng)的DAC封裝太大，成本太高，無法與數(shù)字電位計(jì)競爭。然而，DAC的價(jià)格和封裝尺寸已顯著降低，因此在某些插座中可以使用DAC或數(shù)字電位計(jì)。

介紹

如果設(shè)計(jì)人員和采購工程師的應(yīng)用需要由數(shù)字輸入控制的微調(diào)模擬輸出，則有兩種選擇：數(shù)字電位計(jì)（電位器）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。兩款器件均使用數(shù)字輸入信號來設(shè)置模擬輸出。數(shù)字電位計(jì)允許您調(diào)整模擬電壓，而DAC則調(diào)節(jié)電流和/或電壓。電位計(jì)有三個(gè)模擬連接：高連接、游標(biāo)（或模擬輸出）和低連接（圖 1a）。DAC的工作方式非常相似，但不完全相同。在DAC中，高電平連接稱為正基準(zhǔn)電壓源，游標(biāo)稱為DAC輸出，低電平連接要么接地，要么偶爾作為負(fù)基準(zhǔn)電壓源連接連接（圖1b）。

圖1.傳統(tǒng)上，DAC集成了輸出緩沖器，而數(shù)字電位計(jì)則沒有。

傳統(tǒng)上，數(shù)字電位器旨在取代簡單的機(jī)械電位器。然而，隨著最近分辨率和附加功能的提高，數(shù)字電位計(jì)也可用于一些傳統(tǒng)的DAC插座。DAC和數(shù)字電位計(jì)有一些明顯的區(qū)別。最重要的區(qū)別是DAC通常包括輸出放大器/緩沖器，而數(shù)字電位計(jì)則沒有。大多數(shù)數(shù)字電位計(jì)在沒有外部緩沖器的情況下無法驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載。對于某些應(yīng)用，DAC和數(shù)字電位計(jì)之間的選擇是明確的。然而，在許多應(yīng)用中，DAC或電位計(jì)將產(chǎn)生所需的結(jié)果。

本文將DAC與數(shù)字電位計(jì)進(jìn)行對比，以幫助您確定哪種DAC最適合您的應(yīng)用。

DAC的基本特性和優(yōu)勢

DAC通常采用電阻串架構(gòu)或R-2R梯形架構(gòu)。當(dāng)使用電阻串時(shí)，DAC的輸入控制一組開關(guān)，這些開關(guān)通過匹配的串聯(lián)電阻分壓基準(zhǔn)電壓。DAC R-2R梯形圖通過在正基準(zhǔn)電壓和該基準(zhǔn)電壓的負(fù)側(cè)（通常為地）之間切換單個(gè)電阻來分壓正基準(zhǔn)電壓，從而產(chǎn)生電流。電壓輸出DAC通過輸出放大器將該電流轉(zhuǎn)換回輸出電壓。電流輸出DAC將R-2R梯形電流直接路由到輸出，或使用放大器緩沖輸出。

選擇DAC涉及多種選擇，包括：串行接口與并行接口;分辨率/位數(shù);輸入通道數(shù);電壓或電流輸出;成本;和相對精度。

DAC與串行或并行接口進(jìn)行數(shù)字通信。串行接口在單個(gè)輸入或輸出線路上逐位按順序發(fā)送數(shù)據(jù)。并行接口同時(shí)發(fā)送所有數(shù)據(jù)位，并且每個(gè)位需要單獨(dú)的引腳/連接。串行接口通常分為兩類：3線（SPI、QSPI??或微線兼容）或2線?（I2C）。一些包含數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出線的3線接口稱為4線接口。但是，為簡單起見，本文將后一種接口稱為3線接口。

對于速度很重要的應(yīng)用，并行接口是首選。然而，在尺寸和成本很重要的情況下，3線和2線串行接口是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗鼈冃枰俚囊_，而且通常成本更低。一些 3 線接口的工作頻率高達(dá) 26MHz，而 2 線接口目前的工作頻率高達(dá) 3.4MHz。對于需要多個(gè)DAC串聯(lián)以菊花鏈方式串聯(lián)的應(yīng)用，請選擇3線串行接口。3線和2線接口都可以讀回寫入DAC的數(shù)據(jù)。回讀數(shù)據(jù)的能力是DAC相對于數(shù)字電位計(jì)的另一個(gè)優(yōu)勢。

DAC的另一個(gè)優(yōu)勢是分辨率。最高分辨率DAC設(shè)計(jì)有16位或18位輸入，可提供低至微伏范圍的分辨率。例如，具有18.2V基準(zhǔn)的5位DAC的最小有效位（LSB）權(quán)重為9.54μV。這種分辨率對于機(jī)器人或電機(jī)等工業(yè)設(shè)計(jì)非常重要。相比之下，目前分辨率最高的數(shù)字電位計(jì)具有10位控制或1024抽頭。

DAC可在單個(gè)封裝中集成多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。例如，MAX5733具有32路DAC輸出，每路輸出提供16位分辨率。然而，數(shù)字電位計(jì)目前設(shè)計(jì)為最多六個(gè)通道。DS3930是目前為數(shù)不多的在單封裝中集成<>個(gè)數(shù)字電位器的電位器之一。

DAC通過R-2R梯形圖或電阻串、輸出放大器和MOSFET的組合來驅(qū)動(dòng)電流或電壓輸出。大多數(shù)DAC和數(shù)字電位器之間最顯著的區(qū)別是DAC的輸出放大器。輸出放大器允許DAC驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載。然而，現(xiàn)在生產(chǎn)的一些電位計(jì)帶有輸出放大器。

DAC輸出灌電流和拉電流，為設(shè)計(jì)人員提供了更大的靈活性。MAX5550的10位DAC輸出通過放大器、p溝道MOSFET和上拉電阻在內(nèi)部路由，提供能夠提供高達(dá)30mA電流的電流輸出。相反，10位MAX5547集成了放大器、n溝道MOSFET和下拉電阻，提供灌電流高達(dá)3.6mA的電流輸出。除電流輸出外，一些DAC還具有連接放大器連接，以允許額外的輸出控制。最后一組DAC稱為力/檢測DAC。

由于DAC通常集成內(nèi)部放大器，因此其成本通常高于數(shù)字電位計(jì)。然而，DAC制造商繼續(xù)生產(chǎn)越來越小封裝的DAC，因此其成本繼續(xù)降低。

基本數(shù)字電位器特性和優(yōu)勢

如前所述，數(shù)字電位計(jì)允許您使用數(shù)字輸入來控制電阻。上圖1a所示的三端數(shù)字電位計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)具有固定端到端電阻的可調(diào)電阻分壓器。數(shù)字電位計(jì)可配置為雙端可變電阻，方法是將游標(biāo)連接到高端或低端，或浮動(dòng)高端或低端。與DAC不同，數(shù)字電位計(jì)可以使用H連接獲得最高電壓，L連接用于最低電壓，反之亦然。

選擇數(shù)字電位計(jì)還涉及多種選擇：線性或?qū)?shù)錐度以及分辨率/抽頭次數(shù);非易失性存儲(chǔ)器;成本;和接口，提供上/下、按鈕、SPI 和 I2C 選項(xiàng)。

線性電位計(jì)比對數(shù)錐度電位器更常見。線性電位計(jì)中的每個(gè)電阻都相等，因此從低連接到高連接的步驟會(huì)產(chǎn)生線性傳遞函數(shù)。然而，對數(shù)錐度電位計(jì)通常設(shè)計(jì)用于適應(yīng)各種音頻信號。這是因?yàn)槊坎降乃p分貝數(shù)隨著步數(shù)的增加而增加，從而更好地再現(xiàn)人耳的反應(yīng)。

數(shù)字電位計(jì)通過多種類型的接口進(jìn)行通信：I2C和SPI;2線上/下接口;與SPI略有不同的3線接口;或按鈕上/下界面。MAX5456 32抽頭對數(shù)電位器集成了2線按鈕接口，其兩個(gè)數(shù)字連接可以向上或向下移動(dòng)游標(biāo)，或向左或向右移動(dòng)音頻平衡。

使DAC/電位計(jì)選擇復(fù)雜化的應(yīng)用

許多應(yīng)用顯然需要DAC。高分辨率電機(jī)、傳感器或機(jī)器人應(yīng)用通常需要DAC的分辨率?；竞?a target="_blank">儀器儀表產(chǎn)品等高速應(yīng)用需要DAC中的速度、分辨率甚至并行接口。

放大器反饋網(wǎng)絡(luò)是一種由于數(shù)字電位計(jì)的線性度而更容易實(shí)現(xiàn)電位計(jì)的應(yīng)用。對數(shù)電位計(jì)比DAC更適合衰減音頻信號。

然而，DAC和數(shù)字電位計(jì)之間的傳統(tǒng)界限開始變得模糊。圖2所示為DAC或數(shù)字電位器控制MAX1553 LED驅(qū)動(dòng)器亮度的示例。在這種情況下，MAX1553的BRT輸入端的直流電壓和FB至GND的檢測電阻值決定了LED電流電平。

圖2.MAX1553的BRT引腳上的電壓電平由數(shù)字電位器或DAC設(shè)置，通過數(shù)字輸入微調(diào)LED電流。

審核編輯：郭婷