Bộ chuyển đổi DAC là gì

Khi nói về tín hiệu, chúng có thể được phân loại rộng rãi thành tín hiệu analog và tín hiệu kỹ thuật số. Tất cả các thiết bị điện tử kỹ thuật số như Logic Gates, Flip-Flops, Vi điều khiển, Vi xử lý, ... hoạt động với tín hiệu kỹ thuật số, trong khi điện tử analog như Op-Amp, công tắc nguồn, … Trong một thiết kế điện tử điển hình, hai tín hiệu này thường phải được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Chúng ta đã tìm hiểu Bộ chuyển đổi ADC là gì để chuyển đổi tín hiệu analog sang giá trị kỹ thuật số. Trong bài này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách chuyển đổi tín hiệu kỹ thuật số sang điện áp analog bằng cách sử dụng DAC.

Bộ chuyển đổi DAC là gì

Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang analog thường được gọi là DAC viết tắt của Digital to Analog Converter, D / A hoặc D2A là một thiết bị chuyển đổi các giá trị nhị phân (0 và 1) thành một tập hợp các điện áp analog liên tục. Có nhiều kỹ thuật được thực hiện, mỗi kỹ thuật đều có ưu và nhược điểm riêng. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu cách thức hoạt động của DAC và cách nó có thể được sử dụng trong các thiết kế.

Chúng ta cần DAC ở đâu

Máy tính là một máy nhị phân hoạt động trong thế giới analog, vì vậy để có thể tạo ra một đầu ra mà các thiết bị khác có thể hiểu được, người ta sử dụng DAC.

Ví dụ, một máy tính lưu trữ âm thanh dưới dạng các giá trị nhị phân của sóng âm thanh. Để phát lại những âm thanh này dưới dạng âm thanh trên loa, chúng ta cần tín hiệu analog vì như chúng ta đã biết màng loa rung dựa trên cường độ của tín hiệu analog để tạo ra âm thanh hoặc nhạc. Vì vậy, ở đây, chúng tôi sẽ cần DAC để chuyển đổi file âm thanh kỹ thuật số sang tín hiệu analog để phát nó trên loa.

Hoạt động của DAC

Hệ thống nhị phân là một hệ thống vị trí, tức là một hệ thống giá trị vị trí, với mỗi bit đại diện cho sự có mặt hoặc vắng mặt của một lũy thừa nhất định của hai trong tổng số lũy thừa.

Nói cách khác, toàn bộ quá trình chuyển đổi từ kỹ thuật số sang analog có thể được coi như một hoạt động chia tỷ lệ - số nhị phân được ánh xạ tới một dải điện áp nhất định, với 0V là điện áp tối thiểu và điện áp tối đa là điện áp nhị phân đầu vào tối đa.

Các loại DAC

Bộ khuếch đại tổng hợp

Vì chuyển đổi kỹ thuật số sang analog chỉ đơn giản là một tổng trọng số của đầu vào nhị phân, nên một mạch được gọi là bộ khuếch đại tổng hợp được sử dụng.

Về cơ bản đây là một bộ khuếch đại op-amp với nhiều điện trở được kết nối với một đầu vào. Điểm giao nhau của các điện trở được gọi là đường giao nhau tổng hoặc đất ảo. Đầu vào nhị phân đi vào các điện trở và đầu ra analog thu được trên đầu ra của op-amp.

Làm cho mạch này hoạt động chính là các điện trở. Mỗi điện trở phải được lựa chọn cẩn thận và phù hợp để có được đầu ra analog chính xác. Càng có nhiều bit, càng cần nhiều giá trị điện trở khác nhau, và điều này không phải lúc nào cũng thực tế. Những hạn chế có thể được khắc phục bằng cách sử dụng phương pháp tiếp theo.

Thang R-2R

Đây là loại DAC đơn giản nhất và chỉ cần hai giá trị điện trở được xếp thành bậc thang. Bạn có thể coi đây là một bộ chia điện áp hơi phức tạp, mặc dù phép toán khá phức tạp.

Đầu vào nhị phân đi vào điện trở 2R và đầu ra thu được ở dưới cùng của bậc thang.

PWM DAC

Đây là loại DAC mà hầu hết chúng ta đã từng sử dụng mà không hề hay biết!

Bộ vi điều khiển Arduino có khả năng xuất tín hiệu tương tự bằng tín hiệu PWM. Ngay từ đầu, tín hiệu PWM trông giống như một dạng sóng nhị phân chỉ có các đỉnh cao và thấp với chu kỳ nhiệm vụ thay đổi (tỷ lệ giữa thời gian và khoảng thời gian).

Tuy nhiên, điều này nhằm mục đích được sử dụng với bộ lọc RC để chuyển đổi tín hiệu PWM thành giá trị điện áp bằng cách lọc bỏ thành phần AC và để lại thành phần DC. Điện áp đầu ra tỷ lệ với chu kỳ nhiệm vụ của đầu vào, chu kỳ nhiệm vụ càng cao thì điện áp đầu ra của bộ lọc càng lớn.

Các ứng dụng của DAC

Xử lý tín hiệu kỹ thuật số

Sẽ dễ dàng hơn nhiều khi làm việc với các tín hiệu khi chúng đã được chuyển đổi sang nhị phân.

Một ví dụ điển hình là chỉnh sửa âm thanh. Âm thanh được chuyển đổi thành nhị phân mà sau đó có thể thực hiện các thao tác trên đó. Để phát lại âm thanh này, DAC được sử dụng để chuyển đổi nó thành tín hiệu âm thanh có thể phát lại trên loa.

Nguồn cung cấp năng lượng kỹ thuật số

Hầu hết các bộ vi điều khiển quá chậm để trở thành một phần của vòng điều khiển cung cấp điện. Để thay đổi điện áp hoặc dòng điện của nguồn điện, có thể thay đổi tham chiếu. Điều này có thể được thực hiện bằng cách kết nối DAC với đầu ra của vi điều khiển và sử dụng nó để thay đổi điện áp tham chiếu thành giá trị được chọn trước.

Hạn chế của DAC

Sự chính xác

Các bộ DAC chỉ có thể tạo ra nhiều bước điện áp như số nhị phân cho phép, nói cách khác là gần như không thể tạo ra các giá trị điện áp thực sự liên tục.

Sự phức tạp

Hầu hết các mạch DAC được đề cập ở trên đều cần một vài bộ phận và điều này có thể không phải lúc nào cũng thực tế. Tuy nhiên, có sẵn các chip DAC rời có thể giao tiếp với vi điều khiển thông qua SPI và I2C.

Làm thế nào để sử dụng DAC

DAC ở dưới dạng IC riêng biệt hoặc thậm chí được nhúng vào một bộ vi điều khiển. Nhưng những cái được sử dụng phổ biến nhất là vi mạch riêng biệt như DAC7715, DAC0832, DAC0808, ... Vì vậy, chúng ta hãy xem xét vi mạch DAC MCP4725.

MCP 4725 là một module DAC nhỏ gọn, thường được sử dụng cùng với Arduino, với tài liệu và thư viện có sẵn.

Dưới đây là một số tính năng của chip:

Độ phân giải bit

Nó tốt hơn nhiều so với 8 bit được cung cấp bởi Arduino. Nếu điện áp cung cấp là 5V, thì mỗi chữ số nhị phân được chuyển đổi thành điện áp 5V / (2 ^ 12) = 1,22mV, cung cấp độ phân giải đáng kinh ngạc. Điều này có thể được cải thiện bằng cách giảm điện áp cung cấp xuống 3,3V, trong trường hợp đó, độ phân giải là 0,8mV hoặc 800µV.

Giao tiếp I2C

Giao diện giao tiếp này chỉ yêu cầu hai chân, dữ liệu nối tiếp và đồng hồ nối tiếp. Tốc độ có thể từ 100kHz đến 3.4MHz.

Chân địa chỉ

Bằng cách kết nối chân với Vcc hoặc GND, địa chỉ I2C có thể được thay đổi. Điều này đặc biệt hữu ích khi nhiều thiết bị được sử dụng.

Gói

MCP 4725 đóng gói SOT23-6, có nghĩa là nó cỡ một transistor SMD nhỏ, giúp tiết kiệm rất nhiều không gian.

Nhìn chung, MCP 4725 là một con chip mạnh mẽ với kích thước và tính năng.

Kết luận

DAC tạo thành một liên kết quan trọng giữa thế giới analog và kỹ thuật số và cho phép máy tính giao tiếp với thiết bị thường sử dụng tín hiệu analog bằng cách chuyển đổi số nhị phân sang mức điện áp rời rạc tỷ lệ.