单片机实现16位电阻分压快速DAC电路 Multisim仿真原理图

ID:491577 · 发表于 2022-6-14 23:44

单片机实现16位快速DAC，速度<1us。使用R-2R电阻分压法实现，16位DAC需要16个IO口，如果只需要8位就需要8个IO口。DAC精度与VCC电压和电阻精度有关，VCC必须使用线性稳压电源，电阻使用1%电阻。运算放大器起到电压跟随的作用，也可以不要。

仿真原理图如下（Multisim仿真工程文件可到本帖附件中下载）

R-2R电阻分压DAC
速度快，1us，使用IO多
16位DAC，使用单片机16个IO口数模转换
S1~S16就是16位2进制数。比如1000000000000000就得到2.5000V
0000000000000111就得到457.739UV
Vout=二进制数/65536*VCC

Multisim仿真电路:

R-2R电阻分压DAC16位.zip (295.95 KB, 下载次数: 33)

ID:401564 · 发表于 2022-6-15 16:04

DAC要是能这么简单的想当然的去设计,人家DAC芯片就没有有要了

ID:883242 · 发表于 2022-6-15 17:13

16位是65536，相对精度0.0015%，你那些0.1%的电阻只能用来%%。

ID:491577 · 发表于 2022-6-15 19:36

Y_G_G 发表于 2022-6-15 16:04
DAC要是能这么简单的想当然的去设计,人家DAC芯片就没有有要了

会就简单，R-2R电阻分压法实现DAC是成熟的方案，我只是整理出来而已，有仿真可以自己验证。

ID:491577 · 发表于 2022-6-16 00:17

Hephaestus 发表于 2022-6-15 17:13
16位是65536，相对精度0.0015%，你那些0.1%的电阻只能用来笑掉大牙。

16位DA，5V参考电压，理论精度为5V/65536=76.29uV，使用1%电阻误差是76.29UV*1%=0.7629uV。已经足够小，不是需要0.00115%误差的电阻，市场上没有怎么高精度的电阻，有也买不下起。

ID:213173 · 发表于 2022-6-16 07:15

理想很丰满，现实很骨感。仿真结果只能代表基本原理没有问题。实际电路的效果未必优于简单的PWM DAC。

ID:491577 · 发表于 2022-6-16 12:31

R-2R电阻分压法实现DAC与PWM DAC的区别，电阻分压法特点是快，IO口输入数字量直接出模拟量，速度<1us，缺点是需要IO口多，PWM DAC就是把方波通过n级低通滤波得到直流电压，通过时间换取精度，如果对时间要求低，使用比较大的电容电阻也可以得到纹波很小的直流电，优点是只需要1个IO口。下面谈谈精度，为了提高输出能力一般都需要用运放做电压跟随或放大，加入运放会带来额外的误差，误差在几微伏到几毫伏。这么大的误差还能用吗？为了减少误差，下面谈谈校准。IO口输出1000得到一个电压用6位半万用表测量电压为77.5899mv（理论电压=5000mv*1000/65536=76.2939）误差=1.296mv的确太大。再用IO口输出5000得到一个电压用6位半万用表测量电压为382.769mv（理论电压=5000mv*5000/65536=381.470）误差=1.299mv。这就得到两组准确的数据：数字1000对应77.5899mv，数字5000对应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。数字2000对应电压=77.5899+0.076294775*2000=230.179mv，这个电压误差就很小了。再测量几组数据，10000、20000、30000、40000、50000、60000。数据越多误差就越小。

ID:883242 · 发表于 2022-6-16 16:47

hhh402 发表于 2022-6-16 00:17
16位DA，5V参考电压，理论精度为5V/65536=76.29uV，使用1%电阻误差是76.29UV*1%=0.7629uV。已经足够小， ...

R1、R2误差1%能造成多大精度损失？你这计算完全是小学妹毕业的水平。

ID:401564 · 发表于 2022-6-16 20:55

hhh402 发表于 2022-6-15 19:36
会就简单，R-2R电阻分压法实现DAC是成熟的方案，我只是整理出来而已，有仿真可以自己验证。

你用仿真来说话?
一,电阻精度直接影响最终输出结果,计算方法并不是你说的那样,自己改变一下仿真电路的电阻值进行仿真就知道了,精度是不可能达到0.7629uV的,不知道你的老师以前是不是教体育的
二,想要精度高,就得用贵的电阻,1%精度是肯定不行,最终的结果就是电阻的钱能买好多个DAC,这种电阻至少是3块一个起步......
三,你有焊过实际的电路进行过实际测量和理论对比吗?如果没有,那就是扯

ID:824490 · 发表于 2022-6-16 21:01

p你这仿真的是典型的“逐次逼近”型DAC，最极端的时侯，需要对比32768次才能出结果，每一次都要设电压、待稳定，再读取比较值、再获取电压值，你算一下，要多长时间？

ID:491577 · 发表于 2022-6-17 00:10

楼上不懂不要乱说虚心一点，R-2R电阻分压法实现DAC就是实现DAC的方法之一，不懂可以百度。这个方法不是我想出来的，我只是把它仿真出来给大家研究一下。网上介绍的就是使用1%电阻，精度足够一般使用，其实运算放大带来的误差更大，如果使用通用运算放大器（比如LM358）误差更大，用万用表校准才可以减少误差。10楼还是百度一下再说，R-2R电阻分压法实现DAC特点就是速度快。

ID:624769 · 发表于 2022-6-17 01:12

你说，仿真出来，大家研究一下，我就和你一起，纸上谈兵的 “研究” 一下。
说到快，我好奇问一下，撇开其他所有的不谈，假定，你的仿真理论都能搬到现实中，并且成真，你打算用什么单片机来驱动？
假定，一个总线8个IO, 那么16个IO,就是两条总线。那么，在驱动的时候，就是两条指令。两条指令就有时间差，换句话说，你会先输出一个不是你想要的电压，也不是原本电压的，中间电压，之后再次给出正确值之后也是需要时间来稳定的。而，你又寄希望于它的速度，真按你认为的“速度<1us”来设计，那么，你这个“速度<1us” 所得到的结果，只是最快的速度得到一个错误的电压而已。

最后，你觉得如果，真的到实现你的预想目的，和直接弄个DAC芯片，究竟哪个更好？

ID:824490 · 发表于 2022-6-17 09:04

hhh402 发表于 2022-6-17 00:10
楼上不懂不要乱说虚心一点，R-2R电阻分压法实现DAC就是实现DAC的方法之一，不懂可以百度。这个方法不是我想 ...

我把DAC和ADC搞混了

我这段是对于ADC来的

ID:491577 · 发表于 2022-6-17 09:06

的确有时间差，但是对输出影响很小，想要快肯定要1T单片机，常用24MHz主频，刷新一次1/24us，正常的应用输出电压都是连续变化的，也就是说大部分时候高8位是相同的，刷新时先刷低8位，再刷高8位。实在是担心会输出错误电压可以在输出端到地加一个小电容，比如102电容，这个电容越大输出电压越稳定但是速度越慢，就看大家取舍，R-2R电阻分压法实现DAC速度快是因为只用到开关和电阻，理想情况下是不需要时间的，但实际电路会有寄生电容所以需要一点时间才能稳定，这个时间与电阻大小有关，10K,20K电阻可以做到速度<1us，相关资料网上有，STC8H系列单片机手册也有相关介绍，我也是看到了R-2R电阻分压法实现DAC这个方法通过仿真觉得可行，所以发出来与大家讨论一下，这个“R-2R电阻分压法实现DAC”真不是我设计的，仿真才是我自己画的。想研究更细一些可以百度，也可以看看STC8H系列单片机手册。

ID:491577 · 发表于 2022-6-17 09:20

名字不是重点发表于 2022-6-17 09:04
我把DAC和ADC搞混了
我这段是对于ADC来的

ADC的话16位只需要16次比较就出结果，不管什么电压都是需要16次比较，12位ADC就需要12次比较，不存在极限情况，具体百度一下有详细介绍。

ID:491577 · 发表于 2022-6-17 09:32

关于电阻精度问题，1%足够大多数应用，3位半万用表只用到1%电阻，4位半万用表大部分只用到1%电阻，但是都实现了小于1%的误差，0.1%电阻很少用，0.01%只是传说，校准才是减少误差的捷径。

ID:401564 · 发表于 2022-6-17 13:24

hhh402 发表于 2022-6-17 09:32
关于电阻精度问题，1%足够大多数应用，3位半万用表只用到1%电阻，4位半万用表大部分只用到1%电阻，但是都实 ...

那您就做去吧
反正这电路现实中不会有人用,就算有,也是DIY玩玩的,一个16位的工业级DAC才几块钱,两个IO就能控制
有谁用16个IO来控制?

ID:491577 · 发表于 2022-6-17 13:47

查了一个16位DAC，也是用R-2R电阻分压法实现的。网站介绍如下：
TM8211是两路16位数模转换集成电路，可广泛应用于数字音频、多媒体系统。
芯片采用CMOS工艺设计，内部电路结构基于R-2R电阻网络结构设计，并在全电源
电压范围内实现16bit的动态范围。 TM8211可通过采用数字串行总线数据输入，采
用快速R-2R网络结构来支持8X的过采样音频信号处理。

ID:824490 · 发表于 2022-6-17 14:09

hhh402 发表于 2022-6-17 09:20
ADC的话16位只需要16次比较就出结果，不管什么电压都是需要16次比较，12位ADC就需要12次比较，不存在极限 ...

谢谢！我知道我的思路错在哪了

ID:106977 · 发表于 2022-6-17 16:04

仿真没有问题只能说明理论上是正确的。你实际搭个电路试试，看看能否达到目的？会不会出现多种问题？

ID:824490 · 发表于 2022-6-17 16:35

lgwd 发表于 2022-6-17 16:04
仿真没有问题只能说明理论上是正确的。你实际搭个电路试试，看看能否达到目的？会不会出现多种问题？

我百度了一下，一般产品是不会采用这种电路的，只会在土豪版的产品上用它，
比如音响类的。那上边不止16BIT，24BIT的都有。玩HIFI音响的都是不缺钱的主。
要不然单那几十个电阻就可以买到一颗不错的DAC的IC了。

ID:824490 · 发表于 2022-6-17 16:43

这个产品图看一下，标价RMB12K，仅仅是一个DAC
High End Discrete R-2R Sign Magnitude DAC / HeadAmp
旗舰！
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 · 发表于 2022-6-17 17:12

有不少使用这种电路的DAC芯片，比如MCP4726A0T-E、TM8211，也不贵。估计用的电阻精度比较低吧。
也有用0.1%电阻的，很贵。下面有个介绍R-2R的视频：
https://www.bilibili.com/video/B ... 4108bde1b8b3565f372

ID:491577 · 发表于 2022-6-17 23:15

22#是数字功放吧，只能看看

ID:824490 · 发表于 2022-6-18 08:58

本帖最后由名字不是重点于 2022-6-18 09:04 编辑

hhh402 发表于 2022-6-17 23:15
22#是数字功放吧，只能看看

不是数字功放，只是单纯的DAC解码器+耳放

ID:824490 · 发表于 2022-6-18 09:13

这是某人设计的图，阵容豪华：

24bit全平衡双声道DAC.pdf (125.52 KB, 下载次数: 21)

FPGA.pdf (68.77 KB, 下载次数: 12)

ID:401564 · 发表于 2022-6-18 21:27

hhh402 发表于 2022-6-17 17:12
有不少使用这种电路的DAC芯片，比如MCP4726A0T-E、TM8211，也不贵。估计用的电阻精度比较低吧。
也有用0.1 ...

还在折腾这玩意?
怪不得你觉得这电路好
DAC里面怎么可能用一堆电阻呢?
芯片里面的电阻在绝大多数的情况下只有两种:一种是三极管代替电阻,一种是场效应管代替电阻
而你说的这个MCP4726用的就是场效应管做成的数字电位器,不是电阻
框图是这么个样子而已,里面用的是数字电位器,原理是这个原理,但实用性几乎等于0
你要真这个电路出来,你看一下能不能达到0.7929uV,能有1mV的精度你就笑了
参考电压,温度漂移,电阻误差,这三个加一块,没有做过实际电路,你是不会知道这其中的影响有多大的

ID:624769 · 发表于 2022-6-19 10:42

hhh402 发表于 2022-6-17 09:06
的确有时间差，但是对输出影响很小，想要快肯定要1T单片机，常用24MHz主频，刷新一次1/24us，正常的应用输 ...

知道为什么带DAC的单片机那么贵么？
知道为什么STC不出带DAC的单片机，只出带PWM的单片机么？
知道为什么STC宁可不声不响，给每个IO加上4.7K上拉电阻，也不搞个R-2R的DAC出来抬高身价么？

这就不是几个电阻的问题。你搭个真实电路出来，试一下就明白了。与其仿真千遍，不如实干一次。

ID:491577 · 发表于 2022-6-19 22:44

TM8211就是R-2R原理做的16位DAC芯片，还有不少DAC芯片是使用R-2R原理的，便宜的也有，非常贵的也有。这么多芯片在用至少说明这种R-2R电阻分压DAC电路是有实用价值的。STC8H单片机手册已经提到R-2R电阻分压DAC电路，以后是不是加入DAC就不知道了，不过16位的应该不会，10位或12位就难说了。

ID:491577 · 发表于 2022-6-19 22:57

Y_G_G 发表于 2022-6-18 21:27
还在折腾这玩意?
怪不得你觉得这电路好
DAC里面怎么可能用一堆电阻呢?

你是说MCP4726A0T-E、TM8211这种DAC是做来玩的没有实用价值吗？芯片都做出来销售了，你还说没有做过实际电路，至于误差还是看看芯片的资料吧

ID:401564 · 发表于 2022-6-21 22:29

hhh402 发表于 2022-6-19 22:57
你是说MCP4726A0T-E、TM8211这种DAC是做来玩的没有实用价值吗？芯片都做出来销售了，你还说没有做过实际 ...

好的,就此打住了
你就好好的做你的DAC去吧,做好了别忘了发个帖子庆祝一下

ID:1046556 · 发表于 2022-10-4 17:04

Y_G_G 发表于 2022-6-17 13:24
那您就做去吧
反正这电路现实中不会有人用,就算有,也是DIY玩玩的,一个16位的工业级DAC才几块钱,两个IO就 ...

主要是老师非要求我这么做，我才问楼主的，抱歉啊

ID:1046556 · 发表于 2022-10-4 17:10

楼主您好，我想问一下咱这个电路怎么通过单片机控制，直接输出与单片机IO口相连吗？Vref又要接多少的稳压电源呢？

ID:491577 · 发表于 2022-10-5 14:33

左边20K电阻接IO口，8位就接8个IO，16位就接16个IO，Vcc=需要输出最大电压。以16位为例：设Vcc=5V，16个IO分别为0000 0000 1111 1111，将这个二进制数转化为10进制等于255，这是输出电压V=255/65536*5V=19.45mV。如果16个IO分别为0000 1111 0000 1111，将这个二进制数转化为10进制等于3855，这是输出电压V=3855/65536*5V=294.11mV。当然这是理论计算值，实际因为单片机IO有内阻所以输出电压会偏低，实际电路中运放不是电压跟随而是放大倍数可调的放大器，先将所以IO置1，再调节运放可变电阻使输出电压等于5V，这时DA输出为0-5V(16位分辨率)，如果调节运放可变电阻使输出电压等于10V，这时DA输出为0-10V(16位分辨率)。

ID:332444 · 发表于 2022-10-5 16:02

因该用ISIS 仿真直接单片机控制并监测输出有数据

ID:883242 · 发表于 2022-10-8 00:10

hhh402 发表于 2022-6-17 17:12
有不少使用这种电路的DAC芯片，比如MCP4726A0T-E、TM8211，也不贵。估计用的电阻精度比较低吧。
也有用0.1 ...

MCP4726, 12bit
你自己看看这片子误差有多大！

ID:491875 · 发表于 2022-10-8 07:09

hhh402 发表于 2022-6-17 13:47
查了一个16位DAC，也是用R-2R电阻分压法实现的。网站介绍如下：
TM8211是两路16位数模转换集成电路，可 ...

通常商品DAC内部的网络电阻都是经过激光修正的，比我们平时购买的电阻的精度要高的多。没有可比性

ID:491875 · 发表于 2022-10-8 07:15

hhh402 发表于 2022-6-16 00:17
16位DA，5V参考电压，理论精度为5V/65536=76.29uV，使用1%电阻误差是76.29UV*1%=0.7629uV。已经足够小， ...

验证DAC原理可以，但实际应用肯定不现实。不要说1%精度的电阻，就是给你0.1%电阻也不一定能够达到仿真效果。毕竟，仿真是按理想状态给出的可能结果。

ID:491577 · 发表于 2022-10-8 08:48

既然已经做成了芯片并且还在销售至少说明R-2R分压做DAC芯片是可行的，精度低是相对的，毕竟是12位DAC，精度再低也强过8位，10位的吧。其实有人做有人买已经证明方案可行。

ID:401564 · 发表于 2022-10-8 09:13

hhh402 发表于 2022-10-8 08:48
既然已经做成了芯片并且还在销售至少说明R-2R分压做DAC芯片是可行的，精度低是相对的，毕竟是12位DAC，精度 ...

快4个月了,有什么进展没有?不会只停留在仿真阶段吧

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