Ein Vierbit-DAC mit R–2R-Leiter
Mache aus vier Bits eine Spannung
DAC bedeutet Digital to Analog Converter, Digital-Analog-Wandler: Eine Zahl wird zur Spannung. Die R–2R-Leiter nutzt Widerstände R und doppelt R. Ein Bit ist 0 oder 1. LSB (Least Significant Bit), niederwertigstes Bit, hat Gewicht 1; MSB (Most Significant Bit), höchstwertiges Bit, hier Gewicht 8. Vier Bits wählen 16 Pegel.
EXPERIMENTIERTISCH
Ändere die Schaltungseinstellungen, sage die Messwerte voraus und prüfe eine Aufgabe. Dies sind Lernmodelle; die Annahmen werden in jeder Lektion erklärt.
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So funktioniert es
Ideale Vierbit-Leiter mit Puffer, der die Spannung ohne Belastung der Leiter folgt. Ausgang unbelastet, Referenz Vref 1–5 V. Widerstandsfehler, Schaltspitzen, Einschwingzeit und Stromgrenzen fehlen.
b0–b3 haben Gewichte 1, 2, 4, 8; der Code ist ihre gewichtete Summe. Vout ist Ausgangs-, Vref Referenzspannung. Ein LSB-Schritt ist Vref/16. Code 15 bleibt einen Schritt unter Vref.
Schwierigkeit
Aufbauen · Beobachte
Bei Vref = 5 V einschalten. Nur b3 = 1, Code 8, liefert 2.5 V.
Brauchst du einen Tipp?
Vref=5 V; b3=1; b2=b1=b0=0 → 2.5 V
Erforschen · Experimentiere
Vref bleibt 5 V. b2 = b0 = 1, sonst 0: Code 5 liefert 1.5625 V.
Brauchst du einen Tipp?
Vref=5 V; b2=b0=1; b3=b1=0 → 1.5625 V
Selbst lösen · Löse
Bei Vref = 5 V alle vier Bits auf 1, Code 15. Erreiche 4.6875 V und erkläre den fehlenden Schritt.
Brauchst du einen Tipp?
Vref=5 V; b3=b2=b1=b0=1 → 4.6875 V
Zusatzwissen und Schaltungsrezepte
Ein Vierbit-DAC mit R–2R-Leiter
Ein digitaler Controller speichert Zahlen, eine analoge Schaltung reagiert auf Spannung. Die Leiter verbindet beides: Schalter wählen Referenzanteile, die sich am Ausgang addieren.
code = b0 + 2b1 + 4b2 + 8b3; Vout = Vref × code/16; ΔV = Vref/16
Bei 5 V ist ein Schritt 0.3125 V. Das Maximum sind 15 Schritte, 4.6875 V. Zwischenstufen gibt es ohne weitere Schaltung nicht.
Ein nützlicher Zusammenhang
Zwei Widerstandswerte reichen. Genaue Verhältnisse sind wichtiger als ein besonderer absoluter Widerstand.
Ein überraschendes Detail
Ein weiteres Bit verdoppelt die Codes und halbiert den idealen Schritt bei gleicher Referenz.
Eine typische Falle vermeiden
Die sechzehn Codes reichen von 0 bis 15. Durch 15 zu teilen wäre für dieses Modell falsch.
Bei Code 8 ändert sich Vref von 5 V auf 2 V. Vout wird…
- 1 V
- 2 V
- 2.5 V
Weiterlesen
Code 8 wählt die halbe Referenz: 2 × 8/16 = 1 V.
Halbe Referenz
Aktiviere nur das höchstwertige Bit.
Code 8 ergibt 2.5 V bei 5 V Referenz.
Die erste Stufe
Aktiviere nur das niederwertigste Bit.
Code 1 ergibt 0.3125 V bei 5 V Referenz.
Probiere eine weitere Änderung
Vergleiche 7 (0111) mit 8 (1000). Viele Bits wechseln, aber die Spannung steigt nur einen Schritt. Echte Schalter können kurz eine Störspitze erzeugen; das Modell zeigt sie nicht.