数字模拟转换器(DAC)及其应用

为什么我们需要数据转换器?在现实世界中，大多数数据实际上都是以模拟的形式获得的。我们有两种类型的转换器模拟-数字转换器和数字到模拟转换器。在操纵数据时，这两个转换接口对于数字电子设备和由处理器处理的模拟电气设备是必需的，其在顺序产生所需的操作。

例如，如下图所示，ADC将音频输入设备(如麦克风(传感器))收集的模拟数据转换为可由计算机处理的数字信号。计算机可以添加声音效果。现在，DAC将数字声音信号处理回模拟信号，用于音频输出设备，如扬声器。

数字模拟转换器(DAC)

数字模拟转换器(DAC)是一种将数字数据转换成模拟信号的设备。根据Nyquist- shannon采样定理，任意采样数据都可以用带宽和Nyquist准则完美地重构。

DAC可以精确地将采样数据重构成模拟信号。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)，但最终数据需要转换成模拟信号，以便与现实世界进行交互。

D / A转换器架构

数字模拟转换常用的方法有两种:一种是加权电阻法，另一种是R-2R阶梯网络法。

DAC采用加权电阻法

下面所示的原理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比特的贡献。在电压域，即如果输入信号是电压，二进制位的相加可以通过反相实现加法放大器如下图所示。

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求放大器来实现二进制比特的添加。

输入电阻的运放将它们的电阻值以二进制格式加权。当接收二进制1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，开关将电阻连接到地。所有数字输入位同时应用于DAC。

DAC产生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bb3 bb1 b0，其中每一位是二进制值(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

随着数字输入电压中位数的增加，电阻值的范围变大，因此精度变差。

R-2R梯形数字模拟转换器(DAC)

R-2R阶梯DAC构造为二进制加权DAC，使用电阻值R和2R的重复级联结构。这提高了精度，因为相对容易产生等值匹配电阻(或电流源)。

上图为4位R-2R阶梯DAC。为了达到较高的精度，我们选择电阻值为R和2R。设二进制值B3 B2 B1 B0，若B3 =1, B2 = B1 = B0 =0，则电路如下图所示，这是上述DAC电路的简化形式。输出电压为V0=3R(i3/2)= Vref/2

同理，若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，则下图所示电路是上述DAC电路的简化形式。输出电压为V0=3R(i1/8)= Vref/8

最后，如下所示为b0=1, b2=b3=b1=0情况下的电路。输出电压为V0=3R(ix /16) = Vref/16

这样我们可以发现，当输入数据为b3b2b1b0(单个位不是0就是1)时，则输出电压为

数模转换器的应用

dac在许多数字信号处理应用和更多的应用中使用。下面将讨论一些重要的应用程序。

音频放大器

通过单片机的指令，dac可以产生直流电压增益。通常，DAC将被合并到包含信号处理功能的整个音频编解码器中。

视频编码器

视频编码系统将视频信号处理后，将数字信号发送到各种dac，产生各种格式的模拟视频信号，并优化输出电平。与音频编解码器一样，这些ic可能集成了dac。

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图形控制器通常使用查找表生成数据信号，发送到视频DAC用于模拟输出，如红、绿、蓝(RGB)信号来驱动显示器。

数据采集系统

被测量的数据通过模数转换器(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。

校准

DAC为测试和测量系统的精度提供了增益和电压偏移的动态校准。

电机控制

许多运动控制需要电压控制信号， DAC是这种应用的理想选择，它可以由处理器或控制器驱动。

数据分配系统

许多工业和工厂线路需要多个可编程电压源，这可以由多路复用的一组dac产生。DAC的使用允许在系统运行期间电压的动态变化。

数字电位器

几乎所有的数字电位器是基于字符串DAC体系结构的。与电阻/开关阵列的一些重组，并增加I2C兼容接口，可实现全数字电位器。

软件无线电

DAC与数字信号处理器(DSP)一起使用，将信号转换成模拟信号，在混频器电路中传输，然后传输到无线电功率放大器和发射机。

因此，本文进行了讨论数字模拟转换器和它的应用程序。我们希望你们对这个概念有更好的理解。此外，任何关于这个概念或实施电气和电子项目的疑问，请在下面的评论部分给出您宝贵的建议。我有个问题要问你如何克服二进制加权电阻DAC精度差的问题?