Digital-Analog-Wandler (DAC): Wichtige Typen und ihre Anwendungen

Signale werden grundsätzlich in zwei Hauptgruppen eingeteilt: digitale und analoge Signale. Jede Gruppe findet in unterschiedlichen Anwendungsbereichen Verwendung. So nutzen analoge Elektronikkomponenten wie Leistungsschalter und Operationsverstärker analoge Signale, während digitale Signale in digitalen Bauelementen wie Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, Flip-Flops und Logikgattern zum Einsatz kommen.

Für eine optimale Funktionalität beider Signaltypen ist häufig eine Umwandlung von der einen in die andere Form erforderlich. Hierfür kommen entweder Analog-Digital-Wandler (ADC) oder Digital-Analog-Wandler (DAC) zum Einsatz.

Im Folgenden liegt der Fokus auf dem Digital-Analog-Wandler (DAC), der auch als D/A- oder D2A-Wandler bezeichnet wird.

Was ist ein DAC (Digital-Analog-Wandler)?

Ein DAC ist ein integrierter Schaltkreis (IC), der digitale Werte in Form von Digitalcodes in analoge Spannungs- oder Stromwerte umwandelt. Computer nutzen DACs häufig, um analoge Signale für andere digitale Geräte wie Mobiltelefone bereitzustellen.

Funktionsweise eines DAC

Zur Veranschaulichung betrachten wir die Aufnahme von Audio über ein Mikrofon am Computer.

Das Audiosignal bzw. die Sprache ist eine physikalische Größe, die vor der Aufzeichnung am Computer in ein digitales Format gebracht werden muss. Hierfür wird ein Analog-Digital-Wandler (ADC) verwendet.

Bei der Wiedergabe der aufgenommenen Audiodatei über einen Lautsprecher kommt dann der DAC zum Einsatz. Er wandelt das digitale Signal wieder in ein analoges Signal um.

Typen von DACs

Binär gewichteter Widerstands-D/A-Wandler

Bei diesem DAC-Typ wird für jeden digitalen Eingangsbit eine Stromquelle oder ein Widerstand benötigt. Die Widerstände sind zwischen dem Summierpunkt und den Eingängen geschaltet. Über eine Summierverstärkerschaltung wird das Ausgangssignal erzeugt.

Aus dem Schaltplan lassen sich folgende Punkte ableiten:

• Die Schaltung enthält einen Operationsverstärker, einen Rückkopplungswiderstand und vier weitere Widerstände am Eingangsterminal des Op-Amps.
• Die Widerstände am Eingangsterminal des Op-Amps sind variable Widerstände.

Die Ausgangsspannung der Summierverstärkerschaltung berechnet sich nach folgender Formel:

V_o = -RF (DR + C2R + B4R + A8R)

Dabei sind D, C, B und A die digitalen Eingänge mit unterschiedlichen Werten. A entspricht dem LSB (Least Significant Bit), D dem MSB (Most Significant Bit). Vo ist die analoge Ausgangsspannung.

Binärleiter oder R-2R-Leiter D/A-Wandler

Ein Binärleiter-DAC verwendet nur zwei Widerstandswerte: 2R und R. Die Umwandlungsgeschwindigkeit kann jedoch durch parasitäre Kapazitäten beeinträchtigt werden.

Das Eingangsbit steuert den Schalter zwischen dem invertierenden Eingang des Op-Amps und Masse. Nachdem die Binärinformation in die Widerstände (2R) eingespeist wurde, liegt das Ausgangssignal am Ende der Binärleiterstruktur an.

Die Formel für die Ausgangsspannung lautet:

V_o = -RF × (D2R + C4R + B8R + A16R)

Segmentierter DAC

Ein segmentierter DAC basiert in seinem Design auf Leistungsanforderungen und kombiniert zwei oder mehr DAC-Architekturen. Ein häufiges Beispiel ist die Kombination eines thermometercodierten DAC mit einem binär gewichteten DAC, wobei der eingehende Binärcode in zwei Segmente aufgeteilt wird.

Die binär gewichtete Struktur arbeitet im LSB-Bereich, während der thermometercodierte DAC den MSB-Bereich abdeckt. Dies ermöglicht eine kompakte Chipauslegung.

Mit zunehmender Anzahl der Eingangsbits wächst jedoch die Encoder-Größe, was mehr Verbindungen und Schalter erfordert.

Delta-Sigma DAC

Der Delta-Sigma-DAC gilt als präzisester und schnellster Typ. Er besteht aus folgenden Blöcken:

• Interpolationsfilter: Reduziert die Abtastzeit und erhöht die Abtastrate (oft um den Faktor 4). Die gefilterten Daten gelangen als Eingang in den Modulatorblock.
• Delta-Sigma-Modulator: Funktioniert als Tiefpassfilter für das Nutzsignal und als Hochpassfilter für das Quantisierungsrauschen.
• 1-Bit-DAC: Wandelt jedes Bit von digitalen Samples in analoge Form um für die nachfolgende Verstärkung.
• Analoges Ausgangsfilter: Filtert den DAC-Ausgang und erzeugt das finale analoge Signal.

Vor- und Nachteile von DACs

Vorteile

• Hohe Genauigkeit und Auflösung erreichbar
• Einfache Implementierung
• Der binär gewichtete Widerstands-Typ ist ein schneller Wandler im Vergleich zu anderen Methoden

Nachteile

• Binär gewichtete Widerstände verursachen hohe Leistungsverluste
• Widerstände in den Schaltungen können Nichtlinearitäten, Offset- und Verstärkungsfehler verursachen
• Einige DAC-Typen erfordern zusätzliche Bauteile, was unpraktisch sein kann. Es gibt jedoch diskrete DAC-Chips, die über I2C oder SPI mit Mikrocontrollern kommunizieren
• R-2R-Leiter-Wandler haben eine Verzögerung durch das schaltabhängige Verhalten
• Trotz hoher Genauigkeit lassen sich keine kontinuierlichen Spannungswerte erzeugen, da die Binärzahl die Spannungsschritte bestimmt
• Bei binär gewichteten Widerstands-DACs müssen alle Eingänge denselben Spannungspegel haben (z. B. vier Widerstände für einen 4-Bit-Wandler)

Verwendung eines DACs

DACs sind häufig in Mikrocontrollern integriert oder als separate ICs erhältlich, wobei letztere häufiger vorkommen. Bekannte IC-DACs sind z. B. DAC0808, DAC0832, DAC7715.

Zur Verdeutlichung betrachten wir den MCP4725 DAC-IC, der in Kombination mit einem Arduino einfach einzusetzen ist, da Bibliotheken und Dokumentation leicht verfügbar sind.

Merkmale des MCP4725 DAC-IC

• Gehäuseform SOT23-6 – platzsparend
• I2C-Kommunikationsschnittstelle – nur zwei Pins (Serial Clock, Serial Data), Geschwindigkeiten von 100 kHz bis 3,4 MHz
• I2C-Adresse änderbar durch Anschluss an GND oder VCC (wichtig bei mehreren Geräten)
• 12-Bit-Auflösung (besser als Arduinos 8-Bit). Bei 5 V Versorgung entspricht 1 LSB ca. 1,22 mV (5 V / 2¹²)

Anwendungsbereiche von DACs

• Digitale Potentiometer
• Digitale Datenerfassungssysteme
• Digitale Signalverarbeitung (z. B. Audiobearbeitung)
• Digitale Netzteile für Mikrocontroller

Fazit

Zusammenfassend sind DACs unverzichtbare Bauelemente, die die Brücke zwischen analogen und digitalen Signalen schlagen. Sie ermöglichen die Kommunikation zwischen Geräten, indem sie Binärwerte in diskrete Spannungspegel umwandeln.

Bei Fragen oder für weitere Informationen kontaktieren Sie uns gerne.