數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC/ADC）信號轉(zhuǎn)換的原理

數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 利用每個比特的加權(quán)貢獻(xiàn)將數(shù)字二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號。在本常見問題解答中，我們討論了兩種最常見的 DAC 轉(zhuǎn)換方式：加權(quán)電阻 DAC 和 R-2R 梯形 DAC。

在進(jìn)入轉(zhuǎn)換類型之前，讓我們了解 DAC 轉(zhuǎn)換所涉及的基本步驟。

圖 1 顯示了 DAC 中發(fā)生的過程的模塊示意圖。系統(tǒng)通過幾個階段處理 n 位數(shù)字輸入：

1. 首先，輸入門接收數(shù)字信號

2. 其次，n 位寄存器存儲這些值

3. 第三，電平放大器調(diào)節(jié)信號

4. 第四，二進(jìn)制梯形圖將這些加權(quán)信號組合在一起，以產(chǎn)生模擬輸出電壓 （VA）。

圖 1.包含各個轉(zhuǎn)換階段的 DAC 架構(gòu)框圖。

N 行連接每個階段，在整個轉(zhuǎn)換過程中保持 n 位分辨率。

加權(quán)電阻 DAC

加權(quán)電阻 DAC 是一種 DAC，它使用的電阻值與輸入位的權(quán)重成正比。它根據(jù)輸入的表示對電流或電壓求和，將數(shù)字輸入信號轉(zhuǎn)換為等效的模擬輸出信號。

從圖 2 開始，可以理解加權(quán)電阻 DAC 的簡單版本。該圖說明了基本 DAC 的兩種相同配置 （a） 和 （b），在反相模式下使用運(yùn)算放大器。

圖 2.使用運(yùn)算放大器的簡單 1 位 DAC。

每個設(shè)置都顯示一個通過開關(guān)連接到 +5 V 或接地的單位輸入（邏輯 '1' 或 '0'），通過電阻器 Rin 將電流饋入運(yùn)算放大器的反相端子。同相端子接地。

一個反饋電阻器 Rf 將輸出 Vout 連接回反相輸入，確保負(fù)反饋和線性作。電流 Iin 通過 Rin 產(chǎn)生一個成比例的輸出電壓 Vout，通過 Rf 產(chǎn)生一個代表數(shù)字輸入狀態(tài)的模擬電壓。這種配置是加權(quán)電阻 DAC 的基本構(gòu)建模塊。

圖 3.4 位加權(quán)電阻 DAC 的一般原理圖。

圖 3 顯示了使用反相運(yùn)算放大器配置的 4 位加權(quán)電阻 DAC。四個數(shù)字輸入位中的每一個都連接到一個開關(guān)。輸入從最低有效位 （LSB） 到最高有效位 （MSB） 排列。這些輸入通過單獨(dú)的電阻 RA、RB、RC 和 RD，這些電阻根據(jù)每個位的意義進(jìn)行加權(quán)。

加權(quán)電流在運(yùn)算放大器的反相輸入端組合，產(chǎn)生總輸入電流 Iin。電流通過反饋電阻器，反饋電阻器被轉(zhuǎn)換為成比例的電壓輸出 Vout。該電路對數(shù)字輸入位進(jìn)行加權(quán)和，并提供與數(shù)字輸入值對應(yīng)的模擬電壓輸出。

圖 4 顯示了 4 位加權(quán)電阻 DAC 的逐步作，如四個子圖 （a） 至 （d） 所示。每個子圖表示應(yīng)用于連接到參考電壓 （+5 V） 和接地的一系列開關(guān)的不同輸入組合。

圖 4.4 位加權(quán)電阻 DAC 的各種工作模式，從 0001 到 1111。

DAC 的實(shí)際應(yīng)用是電阻器以二進(jìn)制方式排列，如圖 5 所示。每個開關(guān)輸出都通過一個電阻器饋送，該電阻器具有二進(jìn)制加權(quán)電阻值：R、2R、4R 和 8R，對應(yīng)于該位的意義。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是總共可以實(shí)現(xiàn) 16 個狀態(tài)，從而提高了 DAC 的分辨率。

圖 5.4 位二進(jìn)制加權(quán)電阻 DAC，提供比具有相同電阻值的 DAC 更好的分辨率。

R-2R 梯形 DAC

二進(jìn)制加權(quán)電阻 DAC 的問題是需要很寬的電阻值范圍。例如，一個 12 位二進(jìn)制加權(quán) DAC 需要 1 kΩ （MSB） 到 2 MΩ （LSB） 的電阻，這使得制造具有挑戰(zhàn)性。增加挑戰(zhàn)的是電阻器需要高容差值才能獲得更高的精度。

這些問題可以通過 R-2R 梯形 DAC 來解決，如圖 6 所示。 它說明了使用反相運(yùn)算放大器配置實(shí)現(xiàn)的 3 位 R-2R 梯形 DAC。梯形網(wǎng)絡(luò)由值為 R 和 2R 的重復(fù)電阻段組成，它們形成一個分壓器，精確稱量每個數(shù)字輸入位（從 MSB 到 LSB）。

圖 6.3 位 R-2R 梯形 DAC 的電路圖。

圖 7 顯示了 3 位 R-2R 梯形 DAC 在子圖 （a）、（b） 和 （c） 中的三種不同數(shù)字輸入組合上的作。每個配置都包括一個值為 R 和 2R 的電阻器網(wǎng)絡(luò)，以梯形結(jié)構(gòu)連接。這些配置可實(shí)現(xiàn)八種不同的狀態(tài)，從而提高分辨率。

圖 7.3位R-2R梯形DAC的八種可能狀態(tài)中的三種。

R-2R 梯形圖的優(yōu)勢在于，它可以擴(kuò)展到更多位，而不受二進(jìn)制加權(quán)電阻 DAC 中的電阻值挑戰(zhàn)。

總結(jié)

加權(quán)電阻 DAC 對電阻的二進(jìn)制組合有效。由于簡單性，它們通常用于需要低分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換的應(yīng)用，例如音頻設(shè)備、調(diào)光器和數(shù)字面板儀表。

R-2R 梯形 DAC 的實(shí)現(xiàn)更簡單，只有兩個電阻值。這一優(yōu)勢使它們成為經(jīng)濟(jì)高效且精確的通信系統(tǒng)和儀器儀表設(shè)計的理想選擇，例如波形生成和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。