Der R/2nR-DAC:Digital-Analog-Wandler mit binärgewichtetem Eingang
Was ist eine R/2nR-DAC-Schaltung?
Die R/2nR-DAC-Schaltung, auch bekannt als binär gewichteter Eingang DAC, ist eine Variation der invertierenden Summier-Operationsverstärkerschaltung. (Beachten Sie, dass "Summierungs"-Schaltungen manchmal auch als "Sommer"-Schaltungen bezeichnet werden.)
Wenn Sie sich erinnern, ist die klassische invertierende Summierschaltung ein Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung für eine kontrollierte Verstärkung mit mehreren Spannungseingängen und einem Spannungsausgang. Die Ausgangsspannung ist die invertierte (entgegengesetzte Polarität) Summe aller Eingangsspannungen:
Für eine einfache invertierende Summierschaltung müssen alle Widerstände den gleichen Wert haben. Wenn einer der Eingangswiderstände unterschiedlich wäre, hätten die Eingangsspannungen unterschiedliche Auswirkungen auf den Ausgang und die Ausgangsspannung wäre keine echte Summe.
Beispiel:Ein R/2nR-DAC mit mehreren Eingangswiderstandswerten
Betrachten wir jedoch, die Eingangswiderstände absichtlich auf andere Werte zu setzen. Angenommen, wir würden die Eingangswiderstandswerte auf mehrere Zweierpotenzen einstellen:R, 2R und 4R, anstatt alle den gleichen Wert R:
Ab V1 und durch V3 . gehen , würde dies jede Eingangsspannung genau halb so stark auf den Ausgang auswirken wie die Spannung davor. Mit anderen Worten, Eingangsspannung V1 hat einen 1:1-Effekt auf die Ausgangsspannung (Verstärkung von 1), während die Eingangsspannung V2 hat halb so viel Einfluss auf die Ausgabe (eine Verstärkung von 1/2) und V3 die Hälfte davon (ein Gewinn von 1/4).
Diese Verhältnisse wurden nicht willkürlich gewählt:Es sind die gleichen Verhältnisse, die den Stellengewichten im binären Zahlensystem entsprechen. Wenn wir die Eingänge dieser Schaltung mit digitalen Gattern ansteuern, sodass jeder Eingang entweder 0 Volt oder die volle Versorgungsspannung hat, ist die Ausgangsspannung eine analoge Darstellung des Binärwerts dieser drei Bits.
Wenn wir die Ausgangsspannungen für alle acht Kombinationen von Binärbits (000 bis 111), die in diese Schaltung eingegeben werden, grafisch darstellen, erhalten wir den folgenden Spannungsverlauf:
Beachten Sie, dass mit jedem Schritt in der binären Zählsequenz eine Änderung von 1,25 Volt im Ausgang resultiert.
Diese Schaltung lässt sich sehr einfach mit SPICE simulieren. In der folgenden Simulation habe ich die DAC-Schaltung mit einem Binäreingang von 110 eingerichtet (beachten Sie die ersten Knotennummern für die Widerstände R1 , R2 , und R3 :eine Knotennummer „1“ verbindet sie mit der positiven Seite einer 5-Volt-Batterie und eine Knotennummer „0“ verbindet sie mit Masse).
Die Ausgangsspannung erscheint am Knoten 6 in der Simulation:
binär gewichteter dac v1 1 0 dc 5 rbogus 1 0 99k r1 1 5 1k r2 1 5 2k r3 0 5 4k rfeedbk 5 6 1k e1 6 0 5 0 999k .Endknotenspannung Knotenspannung Knotenspannung (1) 5.0000 (5) 0.0000 (6) -7.5000
Wir können die Widerstandswerte in dieser Schaltung anpassen, um Ausgangsspannungen zu erhalten, die direkt dem Binäreingang entsprechen. Indem der Rückkopplungswiderstand beispielsweise auf 800 Ω anstelle von 1 kΩ eingestellt wird, gibt der DAC -1 Volt für den Binäreingang 001, -4 Volt für den Binäreingang 100, -7 Volt für den Binäreingang 111 usw. aus.
(mit Rückkopplungswiderstand auf 800 Ohm eingestellt) ------ | Binär | Ausgangsspannung | ---------------- | 000 | 0,00 V | ------------ | 001 | -1,00 V | ---------------- | 010 | -2,00 V | ------------ | 011 | -3,00 V | ---------------- | 100 | -4,00 V | ------------ | 101 | -5,00 V | ---------------- | 110 | -6,00 V | ------------ | 111 | -7,00 V | ----------------
Wenn wir die Auflösung dieses DAC erweitern möchten (mehr Bits zum Eingang hinzufügen), müssen wir nur weitere Eingangswiderstände hinzufügen und die gleiche Zweierpotenz von Werten beibehalten:
Zu beachten ist, dass alle Logikgatter im „High“-Zustand exakt die gleichen Spannungen ausgeben müssen. Wenn ein Gate +5,02 Volt für ein „High“ ausgibt, während ein anderes nur +4,86 Volt ausgibt, wird der analoge Ausgang des DAC beeinträchtigt.
Ebenso sollten alle „niedrigen“ Spannungspegel zwischen den Gates identisch sein, idealerweise genau 0,00 Volt. Es wird empfohlen, CMOS-Ausgangsgatter zu verwenden und die Eingangs-/Rückkopplungswiderstandswerte so zu wählen, dass die Strommenge, die jedes Gate als Quelle oder Senke benötigt, minimiert wird.
Industrietechnik