單片機實現(xiàn)16位電阻分壓快速DAC電路 Multisim仿真原理圖

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-14 23:44

單片機實現(xiàn)16位快速DAC，速度<1us。使用R-2R電阻分壓法實現(xiàn)，16位DAC需要16個IO口，如果只需要8位就需要8個IO口。DAC精度與VCC電壓和電阻精度有關(guān)，VCC必須使用線性穩(wěn)壓電源，電阻使用1%電阻。運算放大器起到電壓跟隨的作用，也可以不要。

仿真原理圖如下（Multisim仿真工程文件可到本帖附件中下載）

R-2R電阻分壓DAC
速度快，1us，使用IO多
16位DAC，使用單片機16個IO口數(shù)模轉(zhuǎn)換
S1~S16就是16位2進制數(shù)。比如1000000000000000就得到2.5000V
0000000000000111就得到457.739UV
Vout=二進制數(shù)/65536*VCC

Multisim仿真電路:

R-2R電阻分壓DAC16位.zip (295.95 KB, 下載次數(shù): 41)

ID:401564 · 發(fā)表于 2022-6-15 16:04

DAC要是能這么簡單的想當(dāng)然的去設(shè)計,人家DAC芯片就沒有有要了

ID:883242 · 發(fā)表于 2022-6-15 17:13

16位是65536，相對精度0.0015%，你那些0.1%的電阻只能用來%%。

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-15 19:36

Y_G_G 發(fā)表于 2022-6-15 16:04
DAC要是能這么簡單的想當(dāng)然的去設(shè)計,人家DAC芯片就沒有有要了

會就簡單，R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC是成熟的方案，我只是整理出來而已，有仿真可以自己驗證。

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-16 00:17

Hephaestus 發(fā)表于 2022-6-15 17:13
16位是65536，相對精度0.0015%，你那些0.1%的電阻只能用來笑掉大牙。

16位DA，5V參考電壓，理論精度為5V/65536=76.29uV，使用1%電阻誤差是76.29UV*1%=0.7629uV。已經(jīng)足夠小，不是需要0.00115%誤差的電阻，市場上沒有怎么高精度的電阻，有也買不下起。

ID:213173 · 發(fā)表于 2022-6-16 07:15

理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。仿真結(jié)果只能代表基本原理沒有問題。實際電路的效果未必優(yōu)于簡單的PWM DAC。

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-16 12:31

R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC與PWM DAC的區(qū)別，電阻分壓法特點是快，IO口輸入數(shù)字量直接出模擬量，速度<1us，缺點是需要IO口多，PWM DAC就是把方波通過n級低通濾波得到直流電壓，通過時間換取精度，如果對時間要求低，使用比較大的電容電阻也可以得到紋波很小的直流電，優(yōu)點是只需要1個IO口。下面談?wù)劸龋?nbsp; 為了提高輸出能力一般都需要用運放做電壓跟隨或放大，加入運放會帶來額外的誤差，誤差在幾微伏到幾毫伏。這么大的誤差還能用嗎？為了減少誤差，下面談?wù)勑?zhǔn)。IO口輸出1000得到一個電壓用6位半萬用表測量電壓為77.5899mv（理論電壓=5000mv*1000/65536=76.2939）誤差=1.296mv的確太大。再用IO口輸出5000得到一個電壓用6位半萬用表測量電壓為382.769mv（理論電壓=5000mv*5000/65536=381.470）誤差=1.299mv。這就得到兩組準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)：數(shù)字1000對應(yīng)77.5899mv，數(shù)字5000對應(yīng)382.769mv，1000到5000用插值法得到，V=77.5899+(382.769-77.5899)/(5000-1000)*n=77.5899+0.076294775*n。數(shù)字2000對應(yīng)電壓=77.5899+0.076294775*2000=230.179mv，這個電壓誤差就很小了。再測量幾組數(shù)據(jù)，10000、20000、30000、40000、50000、60000。數(shù)據(jù)越多誤差就越小。

ID:883242 · 發(fā)表于 2022-6-16 16:47

hhh402 發(fā)表于 2022-6-16 00:17
16位DA，5V參考電壓，理論精度為5V/65536=76.29uV，使用1%電阻誤差是76.29UV*1%=0.7629uV。已經(jīng)足夠小， ...

R1、R2誤差1%能造成多大精度損失？你這計算完全是小學(xué)妹畢業(yè)的水平。

ID:401564 · 發(fā)表于 2022-6-16 20:55

hhh402 發(fā)表于 2022-6-15 19:36
會就簡單，R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC是成熟的方案，我只是整理出來而已，有仿真可以自己驗證。

你用仿真來說話?
一,電阻精度直接影響最終輸出結(jié)果,計算方法并不是你說的那樣,自己改變一下仿真電路的電阻值進行仿真就知道了,精度是不可能達到0.7629uV的,不知道你的老師以前是不是教體育的
二,想要精度高,就得用貴的電阻,1%精度是肯定不行,最終的結(jié)果就是電阻的錢能買好多個DAC,這種電阻至少是3塊一個起步......
三,你有焊過實際的電路進行過實際測量和理論對比嗎?如果沒有,那就是扯

ID:824490 · 發(fā)表于 2022-6-16 21:01

p你這仿真的是典型的“逐次逼近”型DAC，最極端的時侯，需要對比32768次才能出結(jié)果，每一次都要設(shè)電壓、待穩(wěn)定，再讀取比較值、再獲取電壓值，你算一下，要多長時間？

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-17 00:10

樓上不懂不要亂說虛心一點，R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC就是實現(xiàn)DAC的方法之一，不懂可以百度。這個方法不是我想出來的，我只是把它仿真出來給大家研究一下。網(wǎng)上介紹的就是使用1%電阻，精度足夠一般使用，其實運算放大帶來的誤差更大，如果使用通用運算放大器（比如LM358）誤差更大，用萬用表校準(zhǔn)才可以減少誤差。10樓還是百度一下再說，R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC特點就是速度快。

ID:624769 · 發(fā)表于 2022-6-17 01:12

你說，仿真出來，大家研究一下，我就和你一起，紙上談兵的 “研究” 一下。
說到快，我好奇問一下，撇開其他所有的不談，假定，你的仿真理論都能搬到現(xiàn)實中，并且成真，你打算用什么單片機來驅(qū)動？
假定，一個總線8個IO, 那么16個IO,就是兩條總線。那么，在驅(qū)動的時候，就是兩條指令。兩條指令就有時間差，換句話說，你會先輸出一個不是你想要的電壓，也不是原本電壓的，中間電壓，之后再次給出正確值之后也是需要時間來穩(wěn)定的。而，你又寄希望于它的速度，真按你認(rèn)為的“速度<1us”來設(shè)計，那么，你這個“速度<1us” 所得到的結(jié)果，只是最快的速度得到一個錯誤的電壓而已。

最后，你覺得如果，真的到實現(xiàn)你的預(yù)想目的，和直接弄個DAC芯片，究竟哪個更好？

ID:824490 · 發(fā)表于 2022-6-17 09:04

hhh402 發(fā)表于 2022-6-17 00:10
樓上不懂不要亂說虛心一點，R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC就是實現(xiàn)DAC的方法之一，不懂可以百度。這個方法不是我想 ...

我把DAC和ADC搞混了

我這段是對于ADC來的

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-17 09:06

的確有時間差，但是對輸出影響很小，想要快肯定要1T單片機，常用24MHz主頻，刷新一次1/24us，正常的應(yīng)用輸出電壓都是連續(xù)變化的，也就是說大部分時候高8位是相同的，刷新時先刷低8位，再刷高8位。實在是擔(dān)心會輸出錯誤電壓可以在輸出端到地加一個小電容，比如102電容，這個電容越大輸出電壓越穩(wěn)定但是速度越慢，就看大家取舍，R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC速度快是因為只用到開關(guān)和電阻，理想情況下是不需要時間的，但實際電路會有寄生電容所以需要一點時間才能穩(wěn)定，這個時間與電阻大小有關(guān)，10K,20K電阻可以做到速度<1us，相關(guān)資料網(wǎng)上有，STC8H系列單片機手冊也有相關(guān)介紹，我也是看到了R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC這個方法通過仿真覺得可行，所以發(fā)出來與大家討論一下，這個“R-2R電阻分壓法實現(xiàn)DAC”真不是我設(shè)計的，仿真才是我自己畫的。想研究更細(xì)一些可以百度，也可以看看STC8H系列單片機手冊。

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-17 09:20

名字不是重點發(fā)表于 2022-6-17 09:04
我把DAC和ADC搞混了
我這段是對于ADC來的

ADC的話16位只需要16次比較就出結(jié)果，不管什么電壓都是需要16次比較，12位ADC就需要12次比較，不存在極限情況，具體百度一下有詳細(xì)介紹。

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-17 09:32

關(guān)于電阻精度問題，1%足夠大多數(shù)應(yīng)用，3位半萬用表只用到1%電阻，4位半萬用表大部分只用到1%電阻，但是都實現(xiàn)了小于1%的誤差，0.1%電阻很少用，0.01%只是傳說，校準(zhǔn)才是減少誤差的捷徑。

ID:401564 · 發(fā)表于 2022-6-17 13:24

hhh402 發(fā)表于 2022-6-17 09:32
關(guān)于電阻精度問題，1%足夠大多數(shù)應(yīng)用，3位半萬用表只用到1%電阻，4位半萬用表大部分只用到1%電阻，但是都實 ...

那您就做去吧
反正這電路現(xiàn)實中不會有人用,就算有,也是DIY玩玩的,一個16位的工業(yè)級DAC才幾塊錢,兩個IO就能控制
有誰用16個IO來控制?

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-17 13:47

查了一個16位DAC，也是用R-2R電阻分壓法實現(xiàn)的。網(wǎng)站介紹如下：
TM8211是兩路16位數(shù)模轉(zhuǎn)換集成電路，可廣泛應(yīng)用于數(shù)字音頻、多媒體系統(tǒng)。
芯片采用CMOS工藝設(shè)計，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)基于R-2R電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在全電源
電壓范圍內(nèi)實現(xiàn)16bit的動態(tài)范圍。 TM8211可通過采用數(shù)字串行總線數(shù)據(jù)輸入，采
用快速R-2R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來支持8X的過采樣音頻信號處理。

ID:824490 · 發(fā)表于 2022-6-17 14:09

hhh402 發(fā)表于 2022-6-17 09:20
ADC的話16位只需要16次比較就出結(jié)果，不管什么電壓都是需要16次比較，12位ADC就需要12次比較，不存在極限 ...

謝謝！我知道我的思路錯在哪了

ID:106977 · 發(fā)表于 2022-6-17 16:04

仿真沒有問題只能說明理論上是正確的。你實際搭個電路試試，看看能否達到目的？會不會出現(xiàn)多種問題？

ID:824490 · 發(fā)表于 2022-6-17 16:35

lgwd 發(fā)表于 2022-6-17 16:04
仿真沒有問題只能說明理論上是正確的。你實際搭個電路試試，看看能否達到目的？會不會出現(xiàn)多種問題？

我百度了一下，一般產(chǎn)品是不會采用這種電路的，只會在土豪版的產(chǎn)品上用它，
比如音響類的。那上邊不止16BIT，24BIT的都有。玩HIFI音響的都是不缺錢的主。
要不然單那幾十個電阻就可以買到一顆不錯的DAC的IC了。

ID:824490 · 發(fā)表于 2022-6-17 16:43

這個產(chǎn)品圖看一下，標(biāo)價RMB12K，僅僅是一個DAC
High End Discrete R-2R Sign Magnitude DAC / HeadAmp
旗艦！
全平衡！
27 bit!
DSD256/PCM384

售價: RMB 11,980

dac1541 internals dac1541 retail packaging
Specifications:
THD @ -1 dB <0.005%
THD @ -60 dB <0.02%
Resistor Precision 27 bit, 0.01% – 0.02% Resistors
Clock Jitter RMS 0.3 pS typical
S/N 20 Khz Bandwith >123 dB unweighted
Frequency Range +0.1 -1.0 dB 20hz – 20Khz
USB Input Type B, Isolated, Full/High Speed
USB Input Mode Selectable Audio Class 1.0 or Audio Class 2.0
SPDIF / AES / Toslink Inputs Up to 24 bit / 192 Khz
USB Input PCM Up to 24 Bit / 384 Ksps
USB Input DSD Up to DoP-128 and DSD-256
Digital volume control -80 dB to +10 dB
Output Line RCA, 2.0V RMS, Zout 50 ohm
Output Line Balanced 3 pins XLR, 4.0V RMS, Zout 100 ohm
Output Headphones 6.3 mm Jack, 6.5V RMS, Zout 1.5 ohm
1300mW @ 32Ω
Output Headphones Balanced 4 pins XLR, 13V RMS., Zout 3.0 ohm
4400mW @ 32Ω
Power Consumptation 90-265V AC, max 35W
Size 250 x 205 x 40 mm
Weight 1.5 Kg
Warranty 3 Years

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-17 17:12

有不少使用這種電路的DAC芯片，比如MCP4726A0T-E、TM8211，也不貴。估計用的電阻精度比較低吧。
也有用0.1%電阻的，很貴。下面有個介紹R-2R的視頻：
https://www.bilibili.com/video/B ... 4108bde1b8b3565f372

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-17 23:15

22#是數(shù)字功放吧，只能看看

ID:824490 · 發(fā)表于 2022-6-18 08:58

本帖最后由名字不是重點于 2022-6-18 09:04 編輯

hhh402 發(fā)表于 2022-6-17 23:15
22#是數(shù)字功放吧，只能看看

不是數(shù)字功放，只是單純的DAC解碼器+耳放

ID:824490 · 發(fā)表于 2022-6-18 09:13

這是某人設(shè)計的圖，陣容豪華：

24bit全平衡雙聲道DAC.pdf (125.52 KB, 下載次數(shù): 22)

FPGA.pdf (68.77 KB, 下載次數(shù): 13)

ID:401564 · 發(fā)表于 2022-6-18 21:27

hhh402 發(fā)表于 2022-6-17 17:12
有不少使用這種電路的DAC芯片，比如MCP4726A0T-E、TM8211，也不貴。估計用的電阻精度比較低吧。
也有用0.1 ...

還在折騰這玩意?
怪不得你覺得這電路好
DAC里面怎么可能用一堆電阻呢?
芯片里面的電阻在絕大多數(shù)的情況下只有兩種:一種是三極管代替電阻,一種是場效應(yīng)管代替電阻
而你說的這個MCP4726用的就是場效應(yīng)管做成的數(shù)字電位器,不是電阻
框圖是這么個樣子而已,里面用的是數(shù)字電位器,原理是這個原理,但實用性幾乎等于0
你要真這個電路出來,你看一下能不能達到0.7929uV,能有1mV的精度你就笑了
參考電壓,溫度漂移,電阻誤差,這三個加一塊,沒有做過實際電路,你是不會知道這其中的影響有多大的

ID:624769 · 發(fā)表于 2022-6-19 10:42

hhh402 發(fā)表于 2022-6-17 09:06
的確有時間差，但是對輸出影響很小，想要快肯定要1T單片機，常用24MHz主頻，刷新一次1/24us，正常的應(yīng)用輸 ...

知道為什么帶DAC的單片機那么貴么？
知道為什么STC不出帶DAC的單片機，只出帶PWM的單片機么？
知道為什么STC寧可不聲不響，給每個IO加上4.7K上拉電阻，也不搞個R-2R的DAC出來抬高身價么？

這就不是幾個電阻的問題。你搭個真實電路出來，試一下就明白了。與其仿真千遍，不如實干一次。

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-19 22:44

TM8211就是R-2R原理做的16位DAC芯片，還有不少DAC芯片是使用R-2R原理的，便宜的也有，非常貴的也有。這么多芯片在用至少說明這種R-2R電阻分壓DAC電路是有實用價值的。STC8H單片機手冊已經(jīng)提到R-2R電阻分壓DAC電路，以后是不是加入DAC就不知道了，不過16位的應(yīng)該不會，10位或12位就難說了。

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-6-19 22:57

Y_G_G 發(fā)表于 2022-6-18 21:27
還在折騰這玩意?
怪不得你覺得這電路好
DAC里面怎么可能用一堆電阻呢?

你是說MCP4726A0T-E、TM8211這種DAC是做來玩的沒有實用價值嗎？芯片都做出來銷售了，你還說沒有做過實際電路，至于誤差還是看看芯片的資料吧

ID:401564 · 發(fā)表于 2022-6-21 22:29

hhh402 發(fā)表于 2022-6-19 22:57
你是說MCP4726A0T-E、TM8211這種DAC是做來玩的沒有實用價值嗎？芯片都做出來銷售了，你還說沒有做過實際 ...

好的,就此打住了
你就好好的做你的DAC去吧,做好了別忘了發(fā)個帖子慶祝一下

ID:1046556 · 發(fā)表于 2022-10-4 17:04

Y_G_G 發(fā)表于 2022-6-17 13:24
那您就做去吧
反正這電路現(xiàn)實中不會有人用,就算有,也是DIY玩玩的,一個16位的工業(yè)級DAC才幾塊錢,兩個IO就 ...

主要是老師非要求我這么做，我才問樓主的，抱歉啊

ID:1046556 · 發(fā)表于 2022-10-4 17:10

樓主您好，我想問一下咱這個電路怎么通過單片機控制，直接輸出與單片機IO口相連嗎？Vref又要接多少的穩(wěn)壓電源呢？

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-10-5 14:33

左邊20K電阻接IO口，8位就接8個IO，16位就接16個IO，Vcc=需要輸出最大電壓。以16位為例：設(shè)Vcc=5V，16個IO分別為0000 0000 1111 1111，將這個二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為10進制等于255，這是輸出電壓V=255/65536*5V=19.45mV。如果16個IO分別為0000 1111 0000 1111，將這個二進制數(shù)轉(zhuǎn)化為10進制等于3855，這是輸出電壓V=3855/65536*5V=294.11mV。當(dāng)然這是理論計算值，實際因為單片機IO有內(nèi)阻所以輸出電壓會偏低，實際電路中運放不是電壓跟隨而是放大倍數(shù)可調(diào)的放大器，先將所以IO置1，再調(diào)節(jié)運放可變電阻使輸出電壓等于5V，這時DA輸出為0-5V(16位分辨率)，如果調(diào)節(jié)運放可變電阻使輸出電壓等于10V，這時DA輸出為0-10V(16位分辨率)。

ID:332444 · 發(fā)表于 2022-10-5 16:02

因該用ISIS 仿真直接單片機控制并監(jiān)測輸出有數(shù)據(jù)

ID:883242 · 發(fā)表于 2022-10-8 00:10

hhh402 發(fā)表于 2022-6-17 17:12
有不少使用這種電路的DAC芯片，比如MCP4726A0T-E、TM8211，也不貴。估計用的電阻精度比較低吧。
也有用0.1 ...

MCP4726, 12bit
你自己看看這片子誤差有多大！

ID:491875 · 發(fā)表于 2022-10-8 07:09

hhh402 發(fā)表于 2022-6-17 13:47
查了一個16位DAC，也是用R-2R電阻分壓法實現(xiàn)的。網(wǎng)站介紹如下：
TM8211是兩路16位數(shù)模轉(zhuǎn)換集成電路，可 ...

通常商品DAC內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)電阻都是經(jīng)過激光修正的，比我們平時購買的電阻的精度要高的多。沒有可比性

ID:491875 · 發(fā)表于 2022-10-8 07:15

hhh402 發(fā)表于 2022-6-16 00:17
16位DA，5V參考電壓，理論精度為5V/65536=76.29uV，使用1%電阻誤差是76.29UV*1%=0.7629uV。已經(jīng)足夠小， ...

驗證DAC原理可以，但實際應(yīng)用肯定不現(xiàn)實。不要說1%精度的電阻，就是給你0.1%電阻也不一定能夠達到仿真效果。畢竟，仿真是按理想狀態(tài)給出的可能結(jié)果。

ID:491577 · 發(fā)表于 2022-10-8 08:48

既然已經(jīng)做成了芯片并且還在銷售至少說明R-2R分壓做DAC芯片是可行的，精度低是相對的，畢竟是12位DAC，精度再低也強過8位，10位的吧。其實有人做有人買已經(jīng)證明方案可行。

ID:401564 · 發(fā)表于 2022-10-8 09:13

hhh402 發(fā)表于 2022-10-8 08:48
既然已經(jīng)做成了芯片并且還在銷售至少說明R-2R分壓做DAC芯片是可行的，精度低是相對的，畢竟是12位DAC，精度 ...

快4個月了,有什么進展沒有?不會只停留在仿真階段吧

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單片機實現(xiàn)16位電阻分壓快速DAC電路 Multisim仿真原理圖

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