基本的数模转换器（DAC）如何进行信号转换？

作者：时间：2025-05-27 来源：eeworld online

数模转换器 （DAC）利用每个比特的加权贡献将数字二进制数据转换为模拟信号。在本常见问题解答中，我们讨论了两种最常见的 DAC 转换方式：加权电阻 DAC 和 R-2R 梯形 DAC。

在进入转换类型之前，让我们了解 DAC 转换所涉及的基本步骤。图 1 显示了 DAC 中发生的过程的模块示意图。系统通过几个阶段处理 n 位数字输入：

图 1.包含各个转换阶段的 DAC 架构框图。（图片：John Wiley & Sons)

N 行连接每个阶段，在整个转换过程中保持 n 位分辨率。

加权电阻 DAC 是一种 DAC，它使用的电阻值与输入位的权重成正比。它根据输入的表示对电流或电压求和，将数字输入信号转换为等效的模拟输出信号。

从图 2 开始，可以理解加权电阻 DAC 的简单版本。该图说明了基本 DAC 的两种相同配置（a）和（b），在反相模式下使用运算放大器。

图 2.使用运算放大器的简单 1 位 DAC。图片来源：Rakesh Kumar 博士)

每个设置都显示一个通过开关连接到 +5 V 或接地的单位输入（逻辑 '1' 或 '0'），通过电阻器 Rin 将电流馈入运算放大器的反相端子。同相端子接地。

一个反馈电阻器 Rf 将输出 Vout 连接回反相输入，确保负反馈和线性作。电流 Iin 通过 Rin 产生一个成比例的输出电压 Vout，通过 Rf 产生一个代表数字输入状态的模拟电压。这种配置是加权电阻 DAC 的基本构建模块。

图 3.4 位加权电阻 DAC 的一般原理图。图片来源：Rakesh Kumar 博士)

图 3 显示了使用反相运算放大器配置的 4 位加权电阻 DAC。四个数字输入位中的每一个都连接到一个开关。输入从最低有效位（LSB）到最高有效位（MSB）排列。这些输入通过单独的电阻 RA、RB、RC 和 RD，这些电阻根据每个位的意义进行加权。

加权电流在运算放大器的反相输入端组合，产生总输入电流 Iin。电流通过反馈电阻器，反馈电阻器被转换为成比例的电压输出 Vout。该电路对数字输入位进行加权和，并提供与数字输入值对应的模拟电压输出。

图 4 显示了 4 位加权电阻 DAC 的逐步作，如四个子图（a）至（d）所示。每个子图表示应用于连接到参考电压（+5 V）和接地的一系列开关的不同输入组合。

图 4.4 位加权电阻 DAC 的各种工作模式，从 0001 到 1111。图片来源：Rakesh Kumar 博士)

DAC 的实际应用是电阻器以二进制方式排列，如图 5 所示。每个开关输出都通过一个电阻器馈送，该电阻器具有二进制加权电阻值：R、2R、4R 和 8R，对应于该位的意义。这种方法的优点是总共可以实现 16 个状态，从而提高了 DAC 的分辨率。

图 5.4 位二进制加权电阻 DAC，提供比具有相同电阻值的 DAC 更好的分辨率。图片来源：Rakesh Kumar 博士)

二进制加权电阻 DAC 的问题是需要很宽的电阻值范围。例如，一个 12 位二进制加权 DAC 需要 1 kΩ （MSB）到 2 MΩ （LSB）的电阻，这使得制造具有挑战性。增加挑战的是电阻器需要高容差值才能获得更高的精度。

这些问题可以通过 R-2R 梯形 DAC 来解决，如图 6 所示。它说明了使用反相运算放大器配置实现的 3 位 R-2R 梯形 DAC。梯形网络由值为 R 和 2R 的重复电阻段组成，它们形成一个分压器，精确称量每个数字输入位（从 MSB 到 LSB）。

图 6.3 位 R-2R 梯形 DAC 的电路图。图片来源：Rakesh Kumar 博士)

图 7 显示了 3 位 R-2R 梯形 DAC 在子图（a）、（b）和（c）中的三种不同数字输入组合上的作。每个配置都包括一个值为 R 和 2R 的电阻器网络，以梯形结构连接。这些配置可实现八种不同的状态，从而提高分辨率。

图 7.3位R-2R梯形DAC的八种可能状态中的三种。图片来源：Rakesh Kumar 博士)

R-2R 梯形图的优势在于，它可以扩展到更多位，而不受二进制加权电阻 DAC 中的电阻值挑战。

加权电阻 DAC 对电阻的二进制组合有效。由于简单性，它们通常用于需要低分辨率数模转换的应用，例如音频设备、调光器和数字面板仪表。

R-2R 梯形 DAC 的实现更简单，只有两个电阻值。这一优势使它们成为经济高效且精确的通信系统和仪器仪表设计的理想选择，例如波形生成和数据采集系统。

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