1. 数模转换器的概念
经数字系统处理后的数字量,有时又要求再转换成模拟量以便实际使用,这种转换称为“数模转换”。
在模拟电路中,电流电压变化是连续的,而数字电路处理的数据都是离散的数据,输出高电平或者低电平。一个8Bit的DAC,它可以接受的数据就是从0到255,共256个数字,如果这是一个3.3V电压输出DAC,那最小电压就是3300mv/255=12.94mv,当然这个是理论情况,而实际上DAC还有一个指标是转换精度。
2. DAC如何实现从数字量到模拟输出?
从一个最简单的电阻分压电路入手:
上图如果每一个电阻相等,每一个节点的电压都是1/4Vcc的倍数,如果每个开关都由数字来控制,显然这样输出有四个值,这样不同的数字对应不同的电压值。
SW1 | SW2 | SW3 | SW4 | Vout |
0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
0 | 0 | 1 | 0 | 1/4 *VCC |
0 | 1 | 0 | 0 | 2/4 *VCC |
1 | 0 | 0 | 0 | 3/4 *VCC |
早期地电子工作者是这样解决地:
这种类型的DAC称之为开关树DAC,开关就像树枝分布,电阻单一设计是比较简单,但是显然,这需要大量的模拟开关。有没有别的方法?
国内的教材会首先介绍这个:
这个电路的特点是简单粗暴,从低位到高位用电阻让电流乘2的幂数来改变。但是这个电路很难做到高的位数,若是一个8位的DAC,最大的电阻达到最小电阻的128倍,如果最小的电阻有10k,最大就有1MΩ多,这个电阻可不好做准确,而且尽管只用几个电阻,但是每个电阻阻值都不一样,在使用这种方法的时候有一种叫做双权电阻的方法,减少了电阻种类和大电阻,但是仍然无法避免最大电阻的需求。
换个思路来看,还有更好的办法,在国内的教材上,称之为倒T型DAC,因为每三个电阻画起来像个倒着的T。这种DAC只用两种电阻,R和2R,所以也称之为R2R DAC。
T型电阻网络部分:
右边的运放先不管,另外运放的反相输入端朝内看等效电阻也是R,每一个数据口提供一个电压,视为一个电压源,这里假设他的电压是Vref。先不看D1到D3,让他们全部接地,只看D0,根据戴维南等效电源定理可以推出,则D0到地,包含中间两个2R电阻,可以等效为一个电阻R串联一个1/2Vref,即途中第一个蓝色节点处,那么在第一个红色节点处就是等效为2R串联1/2Vref。如此下去以此类推,D0能够给最终输出提供的电压是1/16Vref,D1到D3同理,分别为1/8 1/4 1/2 Vref。
然后我们看一下上面那个电路模型,带着运放,还是只看D0,随着一路等效
按照上面的推论,从运放的反向端向内看的等效电阻依然是R,等效电压源是1/16Vref。
3. DAC输出的模拟信号,通常受到以下几个因素的影响
· DAC的频率
· 转换过程的非线性误差
· 转换过程的噪声
· DAC芯片外围电路设计
· DAC的动态范围
· DAC的输入信号
- DAC的频率,理论上频率越高,输出信号越接近于模拟信号。但是这里有几个注意事项。首先是频率和音源本身的频率是相关的,如果音源本身例如CD/WAV是44.1kHz,那么DAC的频率通常也是44.1kHz。
- 关于DAC芯片的外围电路设计的影响,这是一个相对复杂的事情。而这种影响通常集中在两点。一是模拟地和数字地的共地问题。对于输入DAC的数字信号而言,只要所附带的噪声或者抖动等没有超出DAC输入允许的最大容限,就不会影响到数字信号本身。但是数字信号的噪声会通过地线串入到模拟信号中,进而影响最终的模拟信号。通俗的讲,错误的设计会把DAC芯片输出的信号污染或者劣化,这一过程主要体现在噪声、非线性失真和串扰等。
- DAC的动态范围通常取决于DAC芯片本身的参数和输入信号的动态范围。对于常见的CD/WAV音源(96dB)而言,目前主流的DAC芯片和整机基本上能高于这个数据。
- DAC的输入信号,即I2S对DAC输出信号的影响通常又可以分为三点。第一点即音源频率;第二点即上音源动态范围;第三点则是I2S所附带的数字噪声。
其实不难发现,如果对于给定的频率和动态范围的音源,对数模转换的最终输出信号的评价依旧是常见的非线性失真、噪声、频响等。不论这些噪声和失真究竟来与I2S、DAC芯片还是整个电路。即便有一些DAC芯片本身带有一定的信号处理功能,但这些信号处理功能更多时候也是为了提升上述提到的几个指标。
4. DAC芯片的应用
1、简单介绍一下CS4344的应用,主要应用 于音频领域,进行DAC的转换。芯片内部的框图如下所示:
I2S数字信号输入,模拟信号输出,左右(Left - Right)声道。
2、芯片引脚说明:
SDIN 音频信号输入
SCLK 位时钟
LRCK 左右通道时钟
MCLK 主时钟
上面四个为数字信号。
FILT+ 电源滤波
AOUTL 模拟左声道输出
GND 地
VA 电源
AOUTR模拟右声道输出
3、参数
电源为5V或者3.3V
动态响应
输出直流电压: 0.5*VA
输出阻抗: 100欧
4、应用电路:
5、封装