Tricky Circuit

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.

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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

  1. 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

  2. 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

  3. 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. 1 V
  2. 2 V
  3. 2.5 V
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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.

wiki.analog.com