DAC與數(shù)字電位器：在我的應(yīng)用中選擇哪種合適？

摘要：本應(yīng)用筆記對數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)和數(shù)字電位進(jìn)行了對比，傳統(tǒng)的數(shù)字電位器用于替代機(jī)械電位器。隨著分辨率的提高和功能的增多，數(shù)字電位器也可用來取代一些傳統(tǒng)的DAC應(yīng)用。另外，傳統(tǒng)的DAC與數(shù)字電位器相比尺寸較大，價(jià)格較高。然而，隨著DAC價(jià)格的降低、封裝尺寸的減小，DAC也可用來取代數(shù)字電位器的使用。

概述

利用數(shù)字輸入控制微調(diào)模擬輸出有兩種選擇：數(shù)字電位器(pot)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，兩者均采用數(shù)字輸入控制模擬輸出。通過數(shù)字電位器可以調(diào)整模擬電壓；通過DAC既可以調(diào)整電流、也可以調(diào)整電壓。電位器有三個(gè)模擬連接端：高端、抽頭端(或模擬輸出)和低端(見圖1a)。DAC具有隊(duì)?wèi)?yīng)的三個(gè)端點(diǎn)：高端對應(yīng)于正基準(zhǔn)電壓，抽頭端對應(yīng)于DAC輸出，低端則可能對應(yīng)于接地端或負(fù)基準(zhǔn)電壓端(見圖1b)。


圖1. DAC通常包含一個(gè)輸出緩沖器，數(shù)字電位器則不然。

傳統(tǒng)的數(shù)字電位器用于替代簡單的機(jī)械式電位器(詳細(xì)信息請參考應(yīng)用筆記3417：Digital Potentiometers Replace Mechanical Pots。隨著數(shù)字電位器分辨率的提高，功能的增多，一些傳統(tǒng)的DAC應(yīng)用也開始由數(shù)字電位器替代。DAC和數(shù)字電位器存在一些明顯區(qū)別，最明顯的差異是DAC通常包括一個(gè)輸出放大器/緩沖器，而數(shù)字電位器卻沒有。大部分?jǐn)?shù)字電位器需要借助外部緩沖器驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載。有些應(yīng)用中，用戶可以輕易地在DAC和數(shù)字電位器之間做出選擇；而有些應(yīng)用中兩者都能滿足需求。

本文對DAC和數(shù)字電位器進(jìn)行了比較，便于用戶做出最恰當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/選擇">選擇。

DAC的基本特點(diǎn)和優(yōu)勢

DAC通常采用電阻串結(jié)構(gòu)或R-2R階梯架構(gòu)，使用電阻串時(shí)，DAC輸入控制著一組開關(guān)，這些開關(guān)通過匹配的一系列電阻對基準(zhǔn)電壓分壓。對于DAC R-2R階梯架構(gòu)，通過切換每個(gè)電阻對正基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓，從而產(chǎn)生受控電流。該電流送入輸出放大器，電壓輸出DAC將此電流轉(zhuǎn)換成電壓輸出，電流輸出DAC則將R-2R階梯電流通過放大器緩沖后輸出。

如果選擇DAC，還要考慮具體指標(biāo)，如串口/并口、分辨率、輸入通道數(shù)、電流/電壓輸出、成本以及相對精度等。

DAC的通信接口可以是串口和并口，串行接口順序發(fā)送數(shù)據(jù)，通過一條輸入或輸出線一位接著一位地傳輸。并行接口通是發(fā)送所有的數(shù)據(jù)位，每一位需要獨(dú)立的引腳/連接點(diǎn)。串行接口通常分為兩種類型：3線(SPI™、QSPI™或MICROWIRE™兼容)或2線(I²C)。一些3線接口包含數(shù)字輸出線，稱為4線接口。為簡單起見，本文將其統(tǒng)稱為3線接口。

對于注重速度的系統(tǒng)，可以選用并行接口；如果注重成本和尺寸，則可選用3線或2線串口，這種器件引腳數(shù)較少，可顯著降低成本，而且，有些3線接口能達(dá)到26MHz的通信速率，2線接口能夠達(dá)到3.4MHz的速率。對于需要多個(gè)DAC級聯(lián)的應(yīng)用可以選擇3線串行接口，3線和2線接口都可以讀回寫入DAC的數(shù)據(jù)。讀回?cái)?shù)據(jù)是DAC相對于數(shù)字電位器的另一個(gè)優(yōu)勢。

DAC的另一個(gè)指標(biāo)是分辨率，16位或18位DAC可以提供微伏級控制。例如，一個(gè)18位、2.5V基準(zhǔn)的DAC，每個(gè)最低有效位(LSB)對應(yīng)于9.54µV，高分辨率對于工業(yè)控制(如機(jī)器人、發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品)極為重要。目前，數(shù)字電位器能夠提供的最高分辨率是10位或1024抽頭。

DAC的另一個(gè)優(yōu)勢是能夠在單芯片內(nèi)集成多路轉(zhuǎn)換器，例如，MAX5733內(nèi)置32路DAC，每路都能提供16位的分辨率。當(dāng)前的數(shù)字電位器最多只能提供6個(gè)通道，如DS3930是少數(shù)幾款單芯片6通道電位器中的一款。

DAC通過R-2R階梯或電阻串、輸出放大器和MOSFET提供電流或電壓輸出驅(qū)動(dòng)，DAC與數(shù)字電位器最明顯的差別是DAC的輸出放大器，輸出放大器允許DAC驅(qū)動(dòng)低阻負(fù)載，但到目前為止，很少有電位器提供輸出放大器。

DAC能夠源出或吸入電流，為設(shè)計(jì)者提供更大的靈活性。例如，MAX5550 10位DAC通過內(nèi)部放大器、p溝道MOSFET和上拉電阻能夠提供高達(dá)30mA的輸出驅(qū)動(dòng)。而MAX5547 10位DAC配合放大器、n溝道MOSFET和下拉電阻可以提供3.6mA的吸電流。除電流輸出外，一些DAC還可以與外部放大器連接提供額外的輸出控制。后一種DAC也成為加載/感應(yīng)DAC。

因?yàn)镈AC通常內(nèi)置放大器，成本要高于數(shù)字電位器。但隨著新型DAC尺寸的縮小，成本差異也越來越小。