DAC与数字电位器：在我的应用中选择哪种合适？
摘要：本应用笔记对数/模转换器(DAC)和数字电位进行了对比，传统的数字电位器用于替代机械电位器。随着分辨率的提高和功能的增多，数字电位器也可用来取代一些传统的DAC应用。另外，传统的DAC与数字电位器相比尺寸较大，价格较高。然而，随着DAC价格的降低、封装尺寸的减小，DAC也可用来取代数字电位器的使用。
概述利用数字输入控制微调模拟输出有两种选择：数字电位器(pot)和数/模转换器(DAC)，两者均采用数字输入控制模拟输出。通过数字电位器可以调整模拟电压；通过DAC既可以调整电流、也可以调整电压。电位器有三个模拟连接端：高端、抽头端(或模拟输出)和低端(见图1a)。DAC具有队应的三个端点：高端对应于正基准电压，抽头端对应于DAC输出，低端则可能对应于接地端或负基准电压端(见图1b)。
图1. DAC通常包含一个输出缓冲器，数字电位器则不然。
传统的数字电位器用于替代简单的机械式电位器(详细信息请参考应用笔记3417：Digital Potentiometers Replace Mechanical Pots。随着数字电位器分辨率的提高，功能的增多，一些传统的DAC应用也开始由数字电位器替代。DAC和数字电位器存在一些明显区别，最明显的差异是DAC通常包括一个输出放大器/缓冲器，而数字电位器却没有。大部分数字电位器需要借助外部缓冲器驱动低阻负载。有些应用中，用户可以轻易地在DAC和数字电位器之间做出选择；而有些应用中两者都能满足需求。
本文对DAC和数字电位器进行了比较，便于用户做出最恰当的选择。
DAC的基本特点和优势DAC通常采用电阻串结构或R-2R阶梯架构，使用电阻串时，DAC输入控制着一组开关，这些开关通过匹配的一系列电阻对基准电压分压。对于DAC R-2R阶梯架构，通过切换每个电阻对正基准电压进行分压，从而产生受控电流。该电流送入输出放大器，电压输出DAC将此电流转换成电压输出，电流输出DAC则将R-2R阶梯电流通过放大器缓冲后输出。
如果选择DAC，还要考虑具体指标，如串口/并口、分辨率、输入通道数、电流/电压输出、成本以及相对精度等。
DAC的通信接口可以是串口和并口，串行接口顺序发送数据，通过一条输入或输出线一位接着一位地传输。并行接口通是发送所有的数据位，每一位需要独立的引脚/连接点。串行接口通常分为两种类型：3线(SPI™、QSPI™或MICROWIRE™兼容)或2线(I²C)。一些3线接口包含数字输出线，称为4线接口。为简单起见，本文将其统称为3线接口。
对于注重速度的系统，可以选用并行接口；如果注重成本和尺寸，则可选用3线或2线串口，这种器件引脚数较少，可显著降低成本，而且，有些3线接口能达到26MHz的通信速率，2线接口能够达到3.4MHz的速率。对于需要多个DAC级联的应用可以选择3线串行接口，3线和2线接口都可以读回写入DAC的数据。读回数据是DAC相对于数字电位器的另一个优势。
DAC的另一个指标是分辨率，16位或18位DAC可以提供微伏级控制。例如，一个18位、2.5V基准的DAC，每个最低有效位(LSB)对应于9.54µV，高分辨率对于工业控制(如机器人、发动机等产品)极为重要。目前，数字电位器能够提供的最高分辨率是10位或1024抽头。
DAC的另一个优势是能够在单芯片内集成多路转换器，例如，MAX5733内置32路DAC，每路都能提供16位的分辨率。当前的数字电位器最多只能提供6个通道，如DS3930是少数几款单芯片6通道电位器中的一款。
DAC通过R-2R阶梯或电阻串、输出放大器和MOSFET提供电流或电压输出驱动，DAC与数字电位器最明显的差别是DAC的输出放大器，输出放大器允许DAC驱动低阻负载，但到目前为止，很少有电位器提供输出放大器。
DAC能够源出或吸入电流，为设计者提供更大的灵活性。例如，MAX5550 10位DAC通过内部放大器、p沟道MOSFET和上拉电阻能够提供高达30mA的输出驱动。而MAX5547 10位DAC配合放大器、n沟道MOSFET和下拉电阻可以提供3.6mA的吸电流。除电流输出外，一些DAC还可以与外部放大器连接提供额外的输出控制。后一种DAC也成为加载/感应DAC。
因为DAC通常内置放大器，成本要高于数字电位器。但随着新型DAC尺寸的缩小，成本差异也越来越小。
数字电位器的基本特点和优势前面已谈到数字电位器可以通过数字输入控制电阻。图1a中的3端数字电位器实际上是一个固定端到端电阻的可调电阻分压器。通过将电位器中心抽头与高端或低端相连，或使高端或低端浮空，数字电位器能配置成2端可变电阻。与DAC不同，数字电位器能将H端接最高电压，L端接最低电压，或反向连接。
选用数字电位器时，用户也需考虑具体的指标：线性或对数调节、抽头数、抽头级数、非易失存储器、成本等。控制接口有增/减控制、按钮、SPI和I²C。
线性电位器比对数电位器更通用，线性电位器中的每个抽头电阻相同，从低端到高端的变化为线性传输函数。对数抽头的电位器一般用于音频信号的调节。因为每变化一级对应的分贝数需要与人耳的响应特性一致。
数字电位器通过及种类型的接口通信，包括I²C和SPI。此外，数字电位器还提供2线的递增、递减接口控制；与SPI略有不同的3线接口；按键增/减控制方式。MAX5456 32抽头数字电位器组合了2线按键控制接口，其两路数字电位器的中心抽头可以上、下调节，或均衡左、右声道的音频信号。
DAC/电位器的应用选择很多应用场合，用户可以轻易地在DAC和电位器之间做出选择。要求高分辨率的电机控制、传感器或机器人系统，需要选用DAC。另外，高速应用中，例如基站、仪表等对速度、分辨率要求较高，甚至需要并行接口的DAC。
电位器的线性特性便于构建放大器的反馈网络。相对于DAC，对数电位器更适合音量调节。
但在当前的许多应用中,DAC与数字电位器之间选择的界限比较模糊，图2中的DAC和数字电位器都可用于控制MAX1553 LED驱动器的亮度调节。MAX1553 BRT输入的直流电压和FB与GND之间的检流电阻决定了LED的电流。
图2. 利用数字电位器或DAC控制MAX1553的BRT引脚，调节LED电流
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