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关于数模转换器(DAC)工作原理及电路图

IC先生 IC先生 7744 2022-07-13 11:20:55

为什么需要数据转换器?因为在现实世界中,大多数数据本质上都是以模拟的形式提供的。目前有两种类型的转换器,分别是模数转换器和数模转换器。在处理数据时,这两个转换接口对于数字电子设备和模拟电子设备是必不可少的,它们需要由处理器处理以产生所需的操作。

例如下面的DSP插图,ADC将麦克风(传感器)等音频输入设备收集的模拟数据转换为计算机可以处理的数字信号,计算机可能会添加声音效果。现在,DAC会将数字声音信号再处理成模拟信号,供扬声器等音频输出设备使用。

DSP插图

数模转换器 (DAC)

数模转换器,即D/A转换器,简称DAC,是将数字数据转换为模拟信号的设备。根据Nyquist-Shannon采样定理,任何采样数据都可以通过带宽和Nyquist标准完美地重建。

DAC可以精确地将采样数据重建为模拟信号。数字数据可以由微处理器、专用集成电路 (ASIC) 或现场可编程门阵列 (FPGA)产生,但最终数据需要转换为模拟信号才能与现实世界交互。

基本数模转换器

常用转换架构

数模转换常用的方法有两种,一种是加权电阻法,另一种是使用R-2R梯形网络法。

1、使用加权电阻方法的DAC

下图是使用加权电阻的DAC。DAC的基本操作是添加输入的能力,这些输入最终将对应于数字输入的各个位的贡献。在电压域中,即如果输入信号是电压,则可以使用下图所示的反相加法放大器实现二进制位的相加。

二进制加权电阻DAC

在电压域中,即如果输入信号是电压,则可以使用上图所示的反相加法放大器实现二进制位的相加。

运算放大器的输入电阻器的电阻值以二进制格式加权。当接收二进制1时,开关将电阻连接到参考电压。当逻辑电路接收到二进制0时,开关将电阻接地,所有数字输入位同时应用于DAC。

DAC生成对应于给定数字数据信号的模拟输出电压。对于DAC,给定的数字电压为b3 b2 b1 b0,其中每个位都是二进制值(0 或 1)。输出端产生的输出电压为:

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

随着数字输入电压的位数增加,电阻值的范围变大,因此精度变差。

2、R-2R梯形数模转换器 (DAC)

R-2R梯形DAC构建为二进制加权DAC,它使用电阻值R和2R的重复级联结构。由于生产等值匹配电阻器(或电流源)相对容易,这提高了精度。

R-2R 梯形数模转换器 (DAC)

上图显示了4位R-2R梯形DAC。为了达到高水平的精度,这里选择了电阻值R和2R。设二进制值B3 B2 B1 B0,如果b3=1,b2=b1=b0=0,则电路如下图所示,是上述DAC电路的简化形式。输出电压为:

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

DAC电路的简化形式

同理,如果b2=1,b3=b1=b0=0,则输出电压为V0=3R(i2/4)=Vref/4,电路简化如下:

电路简化形式

如果b1=1,b2=b3=b0=0,那么下图所示的电路就是上述DAC电路的简化形式,则输出电压为V0=3R(i1/8)= Vref/8

电路的简化形式

最后,对应于b0=1 和 b2=b3=b1=0 的情况。输出电压为 V0=3R(i0/16) = Vref/16,电路如下所示:

简单ADC电路

这样可以发现,当输入数据为b3b2b1b0(其中各个位为0或1)时,则输出电压为:

输出电压

主要应用

DAC数模转换器用于许多数字信号处理应用和更多应用,下面简单的列举一些:

1、音频放大器
DAC用于通过微控制器命令产生直流电压增益。通常情况下,DAC将被整合到包括信号处理功能的整个音频编解码器中。

2、视频编码器

视频编码器系统将处理视频信号并将数字信号发送到各种DAC,以产生各种格式的模拟视频信号,同时优化输出电平。与音频编解码器一样,这些IC可能具有集成的DAC。

3、电子显示器

图形控制器通常会使用查找表来生成发送到视频DAC的数据信号,用于模拟输出,例如红、绿、蓝 (RGB) 信号以驱动显示器。

4、数据采集系统

要测量的数据由模数转换器 (ADC) 数字化,然后发送到处理器。数据采集还将包括一个过程控制端,其中处理器将反馈数据发送到DAC以转换为模拟信号。

5、校准

DAC为增益和电压偏移提供动态校准,以确保测试和测量系统的准确性。

6、电机控制

许多电机控制都需要电压控制信号,而DAC非常适合这种可能由处理器或控制器驱动的应用。

电机控制应用

7、数据分发系统

许多工业和工厂生产线需要多个可编程电压源,这可以由一组多路复用的 DAC 生成。DAC 的使用允许在系统运行期间动态改变电压。

8、数字电位器

几乎所有数字电位器都基于串DAC架构。通过对电阻器/开关阵列进行一些重组,并添加一个 I2C 兼容接口,可以实现一个全数字电位器。

9、软件无线电

DAC与数字信号处理器 (DSP) 一起使用,将信号转换为模拟信号,以便在混频器电路中传输,然后传输到无线电的功率放大器和发射器。

总结

以上就是关于数模转换器(DAC)工作原理及电路图等相关内容技术,希望大家对其概念有更好的理解。其实,数模转换器(DAC)在电子电路中是很常见的,而且应用也非常的广泛。

需要注意的是,再使用数模转换器(DAC)的时候,需要考虑到电源抑制比、工作温度范围、失调误差、增益误差、非线性误差等相关参数标准。

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