数模转换器(DAC)工作原理

一路上

前言

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。

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。

常用转换架构

数模转换常用的方法有两种，-种是加权电阻法，另-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。

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。

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 BO,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

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:

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

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:

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:

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- 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-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。

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) -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。