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(duì)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)和數(shù)字電位進(jìn)行了對(duì)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(lái)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(lái)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(guò)數(shù)字電位器可以調(diào)整模擬電壓；通過(guò)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(duì)應(yīng)于正基準(zhǔn)電壓，抽頭端對(duì)應(yīng)于DAC輸出，低端則可能對(duì)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(jiǎn)單的機(jī)械式電位器(詳細(xì)信息請(qǐng)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(méi)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(duì)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)倪x擇。

 

DAC的基本特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

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(guò)匹配的一系列電阻對(duì)基準(zhǔn)電壓分壓。對(duì)于DAC R-2R階梯架構(gòu)，通過(guò)切換每個(gè)電阻對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)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(jiǎn)單起見，本文將其統(tǒng)稱為3線接口。

對(duì)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(duì)于需要多個(gè)DAC級(jí)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(duì)于數(shù)字電位器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

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(jí)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(duì)應(yīng)于9.54µV，高分辨率對(duì)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(shì)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(guò)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(guò)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(lái)越小。
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數(shù)字電位器的基本特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

前面已談到數(shù)字電位器可以通過(guò)數(shù)字輸入控制電阻。圖1a中的3端數(shù)字電位器實(shí)際上是一個(gè)固定端到端電阻的可調(diào)電阻分壓器。通過(guò)將電位器中心抽頭與高端或低端相連，或使高端或低端浮空，數(shù)字電位器能配置成2端可變電阻。與DAC不同，數(shù)字電位器能將H端接最高電壓，L端接最低電壓，或反向連接。

選用數(shù)字電位器時(shí)，用戶也需考慮具體的指標(biāo)：線性或?qū)?shù)調(diào)節(jié)、抽頭數(shù)、抽頭級(jí)數(shù)、非易失存儲(chǔ)器、成本等?？刂平涌谟性?減控制、按鈕、SPI和I²C。

線性電位器比對(duì)數(shù)電位器更通用，線性電位器中的每個(gè)抽頭電阻相同，從低端到高端的變化為線性傳輸函數(shù)。對(duì)數(shù)抽頭的電位器一般用于音頻信號(hào)的調(diào)節(jié)。因?yàn)槊孔兓患?jí)對(duì)應(yīng)的分貝數(shù)需要與人耳的響應(yīng)特性一致。

數(shù)字電位器通過(guò)及種類型的接口通信，包括I²C和SPI。此外，數(shù)字電位器還提供2線的遞增、遞減接口控制；與SPI略有不同的3線接口；按鍵增/減控制方式。MAX5456 32抽頭數(shù)字電位器組合了2線按鍵控制接口，其兩路數(shù)字電位器的中心抽頭可以上、下調(diào)節(jié)，或均衡左、右聲道的音頻信號(hào)。

 

DAC/電位器的應(yīng)用選擇

很多應(yīng)用場(chǎng)合，用戶可以輕易地在DAC和電位器之間做出選擇。要求高分辨率的電機(jī)控制、傳感器或機(jī)器人系統(tǒng)，需要選用DAC。另外，高速應(yīng)用中，例如基站、儀表等對(duì)速度、分辨率要求較高，甚至需要并行接口的DAC。

電位器的線性特性便于構(gòu)建放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)。相對(duì)于DAC，對(duì)數(shù)電位器更適合音量調(diào)節(jié)。

但在當(dāng)前的許多應(yīng)用中,DAC與數(shù)字電位器之間選擇的界限比較模糊，圖2中的DAC和數(shù)字電位器都可用于控制MAX1553 LED驅(qū)動(dòng)器的亮度調(diào)節(jié)。MAX1553 BRT輸入的直流電壓和FB與GND之間的檢流電阻決定了LED的電流。


圖2. 利用數(shù)字電位器或DAC控制MAX1553的BRT引腳，調(diào)節(jié)LED電流