【導讀】使用電位器可以很方便在信號源的驅動(dòng)下形成一個(gè)幅值可以調節的交流信號源。這比起使用通常的可編程直流電源，或者DAC輸出電壓來(lái)說(shuō)，輸出的是幅度可以變的交流信號源，可以用于很多的自動(dòng)測量環(huán)節。
01緣起
1.為什么討論電子電位器？
為什么要討論使用一個(gè) DAC[1]來(lái)作為一個(gè)電位器呢？這里面主要原因如下：
● 使用電位器可以很方便在信號源的驅動(dòng)下形成一個(gè)幅值可以調節的交流信號源。這比起使用通常的可編程直流電源，或者DAC輸出電壓來(lái)說(shuō)，輸出的是幅度可以變的交流信號源，可以用于很多的自動(dòng)測量環(huán)節。
● 為什么不直接使用 機械電位器[2]來(lái)改變信號源的幅值呢？還是一個(gè)原因，那就是自動(dòng)可編程改變信號的幅值。
● 現在有數字電位器，比如 X9C102,X9C103,X9C104[3],AD5272等，為什么不使用它們來(lái)實(shí)現對交流信號源進(jìn)行幅值改變呢？這里面一個(gè)主要原因就是器件的頻帶寬度[4](https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134132 "X9C102,X9C103,X9C104"),AD5272等，為什么不使用它們來(lái)實(shí)現對交流信號源進(jìn)行幅值改變呢？這里面一個(gè)主要原因就是器件的頻帶寬度[^4068]的問(wèn)題。相比于機械電位器，這些電子電位器（變阻器）都具有相對較窄的工作頻帶寬度，對于高頻信號不適合。
2.為什么使用DAC做電位器？
● DAC用作電位器改變交流信號原理;
● 使用DAC來(lái)分壓交流信號的優(yōu)點(diǎn)是什么？
● 是否能夠克服前面數字電位器的頻帶過(guò)窄的問(wèn)題？
寫(xiě)這些話(huà)的時(shí)候，我還不知道具體答案，下面就通過(guò)實(shí)驗來(lái)驗證一下吧。
02實(shí)驗電路
最近，剛剛購買(mǎi)了幾片16bit的DAC芯片 DAC8830IDR[5]（價(jià)格6.6），具有SPI接口，基于該DAC來(lái)驗證一下前面的思路的可行性。
1.實(shí)驗電路設計
由于DAC8830使用SPI接口來(lái)設置輸出電壓，使用STC8G1K（SOP16）作為控制器來(lái)完成對它的信號控制。
1）SCH [6]
▲ 原理圖設計
2）PCB
對于實(shí)驗原理圖進(jìn)行LAYOUT，盡可以滿(mǎn)足單面PCB板制作的工藝要求?？焖僦瓢嬷蟮玫綄膶?shí)驗電路板。
▲ 實(shí)驗電路板的PCB設計
2.MCU軟件編程[7]
1) DA8830訪(fǎng)問(wèn)子程序
使用STC8G的SPI端口對DA8830進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。根據DA8830的SPI讀寫(xiě)時(shí)序，相應的DAC8830寫(xiě)入轉換（16bit）數據的子程序為：
void DAC8830Set(unsigned int nDAC) {
OFF(DAC8830_CS);
SPISendChar((unsigned char)(nDAC >> 8));
SPISendChar((unsigned char)nDAC);
ON(DAC8830_CS);
}
▲ DA8830的SPI讀寫(xiě)時(shí)序
對應的DA8830的CS，SPK的波形為：
▲ 示波器觀(guān)察到DA8830的CS，CLK的波形
從上面波形可以看出，DAC8830Set()函數的執行時(shí)間在STC8G1K17（35MHz）執行中的時(shí)間大約為
。
。在靜態(tài)下，通過(guò)兩個(gè)
電阻組成的參考電壓分壓電路，生成大約2.5V的參考電壓。實(shí)際測量電壓為：
。
電阻組成的參考電壓分壓電路，生成大約2.5V的參考電壓。實(shí)際測量電壓為：。根據DA8830數據手冊，DAC8830的參考電壓輸入阻抗大約為：
。因此，理論計算所得到的參考電壓為：
。因此，理論計算所得到的參考電壓為：
這個(gè)數值比起前面實(shí)際測量得到的
要大，這說(shuō)明對應的DA8830的參考電壓管腳的阻抗比起
還要小。
要大，這說(shuō)明對應的DA8830的參考電壓管腳的阻抗比起還要小。為了便于測量數據波形，調用DA8830Set（）函數中的輸入參數為
。那么輸出電壓計算值應該為：
。那么輸出電壓計算值應該為：
實(shí)際測量DA8830的輸出電壓為：
。
。2) 輸出電壓波形
▲ 每1ms寫(xiě)入DAC8830遞增數據的CS，DI數據波形
寫(xiě)入遞增的數據，輸出波形。
for(;;) {
WaitTime(1);
//----------------------------------------------------------------------
DAC8830Set(nShowCount);
nShowCount += 0x200;
//----------------------------------------------------------------------
}
此時(shí)Dout輸出遞增的鋸齒波形。
▲ 輸出遞增的鋸齒波形
03參考電壓與輸出信號
下面經(jīng)過(guò)幾組實(shí)驗，來(lái)驗證DAC的參考電壓對于輸出信號的影響。
1.參考電壓的有效范圍
在DAC8830的數據手冊中，對于參考電壓的輸入范圍給定的是1.25V ~ Vpp。下面通過(guò)一組實(shí)驗來(lái)測試實(shí)際的有效輸入參考電壓范圍：
下面通過(guò)在某一給定的DAC8830的設置下，給定Vref，測量對應的實(shí)際輸出。將三種不同設置下的輸出電壓與參考電壓之間的關(guān)系繪制在一起。從圖中可以看到，實(shí)際上，DA8830的參考電壓對于輸出電壓的等比例的影響范圍是在整個(gè)的工作電壓（0~5V）之內都有效。
▲ 將三種不同設置下的參考電壓與輸出電壓繪制在一起
2.輸入交變的參考電壓
1）在Vref加入交流電壓波形
在Vref中加入100Hz左右正弦波，設置DAC8830轉換值為0x7fff，輸出的電壓波形如下圖所示?？梢钥吹捷敵觯˙lue）的電壓波形等于Vref(Cyan)的一半。
▲ DAC8830的Dout(Cyan)與Vref(Blue)的波形
當設置為0xffff的時(shí)候，輸入的波形就與輸入一致了。
▲ DAC8830的Dout(Cyan)與Vref(Blue)的波形
2）輸入高頻方波波形
為了測試從Vref到Vout之間的頻帶寬度，在Vref中加入高頻方波信號，觀(guān)察輸出的Vout的信號。
▲ 加入高頻方波信號Vref(Blue)觀(guān)察輸出信號Vout(Cyan)
將波形再次展開(kāi)，觀(guān)察輸出的過(guò)渡過(guò)程。
展開(kāi)波形，對比輸入輸出波形，可以觀(guān)察到Vref到Vout之間的帶寬應該超過(guò)1MHz。按照DAC8830數據手冊上關(guān)于參考電壓 -3dB帶寬的參數，典型值為1.3MHz。
▲ 加入高頻方波信號Vref(Blue)與輸出信號Vout(Cyan)波形
3.使用DAC對交流信號進(jìn)行調幅
下面將固定的交流電壓（有直流分量，使得信號始終大于零）施加在Vref，測量Vout隨著(zhù)DAC8830的設置值的變化情況。
施加的電壓頻率
，幅值
。
，幅值。輸出電壓值如設置數值之間的關(guān)系為：
▲ 輸出電壓值與設置值之間的關(guān)系
可以看到整體上輸出與設置值之間的關(guān)系呈現非常好的線(xiàn)性關(guān)系。
注意到在曲線(xiàn)的一開(kāi)始似乎有一些略微的非線(xiàn)性。下面重新采集設置值范圍在（0,0x3ff）范圍內的輸出電壓與設置值之間的關(guān)系曲線(xiàn)。
▲ 輸出電壓值與設置值之間的關(guān)系
可以看到在起始的時(shí)候，由于系統存在噪聲，使得輸出的電流電壓與設定值之間存在一定的非線(xiàn)性。當理論輸出電壓小于系統地線(xiàn)上的噪聲電壓時(shí)，使用交流萬(wàn)用表測量得到的數值就會(huì )偏大。
下面重新對頻率為
的信號測量輸出電壓與設定值之間的關(guān)系。結果與1kHz的情形相同。只是輸出整體的增益下降了。
的信號測量輸出電壓與設定值之間的關(guān)系。結果與1kHz的情形相同。只是輸出整體的增益下降了。
▲ 輸出電壓值與設置值之間的關(guān)系
增益變化了9%左右。
4.信號超量程
當輸入信號的幅值超過(guò)DAC8830d的工作電壓，或者低于0V，輸出都會(huì )出現截止。
▲ 輸入信號超過(guò)+5V，低于0V的情況
結論
通過(guò)前面的實(shí)驗，可以看到，使用DAC8830來(lái)當做電位器獲得幅度可變的交流信號源是可行的。它具有很寬的信號帶寬，并且輸出信號的幅值與設置信號之間具有非常好的線(xiàn)性關(guān)系，只是在信號比較小的時(shí)候輸出會(huì )受到系統和芯片本身的噪聲影響。
當輸入信號超出了DAC8830的工作電壓，或者低于0V時(shí)，輸出信號都會(huì )截止。所以在使用的時(shí)候，需要通過(guò)一定的信號偏置的方式將交流信號平移到始終在0~5V（DAC8830工作電壓）范圍之后進(jìn)行調試，然后可以再通過(guò)隔直電容去掉信號中的偏移量。
參考資料
[1] DAC: https://baike.baidu.com/item/%E6%95%B0%E6%A8%A1%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8/4634384?fromtitle=DAC&fromid=1196661&fr=aladdin
[2] 機械電位器: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104089780
[3] X9C102,X9C103,X9C104: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104134132
[4] 頻帶寬度: 器件的輸出增益隨著(zhù)信號頻率的改變而下降，最終形成的最大等效輸出帶寬
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