【導(dǎo)讀】使用電位器可以很方便在信號(hào)源的驅(qū)動(dòng)下形成一個(gè)幅值可以調(diào)節(jié)的交流信號(hào)源。這比起使用通常的可編程直流電源，或者DAC輸出電壓來說，輸出的是幅度可以變的交流信號(hào)源，可以用于很多的自動(dòng)測(cè)量環(huán)節(jié)。
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(hào)源的驅(qū)動(dòng)下形成一個(gè)幅值可以調(diào)節(jié)的交流信號(hào)源。這比起使用通常的可編程直流電源，或者DAC輸出電壓來說，輸出的是幅度可以變的交流信號(hào)源，可以用于很多的自動(dòng)測(cè)量環(huán)節(jié)。
● 為什么不直接使用 機(jī)械電位器[2]來改變信號(hào)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(hào)的幅值。
● 現(xiàn)在有數(shù)字電位器，比如 X9C102,X9C103,X9C104[3],AD5272等，為什么不使用它們來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)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實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)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]的問題。相比于機(jī)械電位器，這些電子電位器（變阻器）都具有相對(duì)較窄的工作頻帶寬度，對(duì)于高頻信號(hào)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(hào)原理;
● 使用DAC來分壓交流信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)是什么？
● 是否能夠克服前面數(shù)字電位器的頻帶過窄的問題？
寫這些話的時(shí)候，我還不知道具體答案，下面就通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證一下吧。
02實(shí)驗(yàn)電路
最近，剛剛購(gòu)買了幾片16bit的DAC芯片 DAC8830IDR[5]（價(jià)格6.6），具有SPI接口，基于該DAC來驗(yàn)證一下前面的思路的可行性。
1.實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)
由于DAC8830使用SPI接口來設(shè)置輸出電壓，使用STC8G1K（SOP16）作為控制器來完成對(duì)它的信號(hào)控制。
1）SCH [6]
▲ 原理圖設(shè)計(jì)
2）PCB
對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理圖進(jìn)行LAYOUT，盡可以滿足單面PCB板制作的工藝要求。快速制版之后得到對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)電路板。
▲ 實(shí)驗(yàn)電路板的PCB設(shè)計(jì)
2.MCU軟件編程[7]
1) DA8830訪問子程序
使用STC8G的SPI端口對(duì)DA8830進(jìn)行訪問。根據(jù)DA8830的SPI讀寫時(shí)序，相應(yīng)的DAC8830寫入轉(zhuǎn)換（16bit）數(shù)據(jù)的子程序?yàn)椋?/div>
void DAC8830Set(unsigned int nDAC) {
OFF(DAC8830_CS);
SPISendChar((unsigned char)(nDAC >> 8));
SPISendChar((unsigned char)nDAC);
ON(DAC8830_CS);
}
▲ DA8830的SPI讀寫時(shí)序
對(duì)應(yīng)的DA8830的CS，SPK的波形為：
▲ 示波器觀察到DA8830的CS，CLK的波形
從上面波形可以看出，DAC8830Set()函數(shù)的執(zhí)行時(shí)間在STC8G1K17（35MHz）執(zhí)行中的時(shí)間大約為
。
。在靜態(tài)下，通過兩個(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(cè)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(cè)量電壓為：。根據(jù)DA8830數(shù)據(jù)手冊(cè)，DAC8830的參考電壓輸入阻抗大約為：
。因此，理論計(jì)算所得到的參考電壓為：
。因此，理論計(jì)算所得到的參考電壓為：這個(gè)數(shù)值比起前面實(shí)際測(cè)量得到的
要大，這說明對(duì)應(yīng)的DA8830的參考電壓管腳的阻抗比起
還要小。
要大，這說明對(duì)應(yīng)的DA8830的參考電壓管腳的阻抗比起還要小。為了便于測(cè)量數(shù)據(jù)波形，調(diào)用DA8830Set（）函數(shù)中的輸入?yún)?shù)為
。那么輸出電壓計(jì)算值應(yīng)該為：
。那么輸出電壓計(jì)算值應(yīng)該為：實(shí)際測(cè)量DA8830的輸出電壓為：
。
。2) 輸出電壓波形
▲ 每1ms寫入DAC8830遞增數(shù)據(jù)的CS，DI數(shù)據(jù)波形
寫入遞增的數(shù)據(jù)，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(hào)
下面經(jīng)過幾組實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證DAC的參考電壓對(duì)于輸出信號(hào)的影響。
1.參考電壓的有效范圍
在DAC8830的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，對(duì)于參考電壓的輸入范圍給定的是1.25V ~ Vpp。下面通過一組實(shí)驗(yàn)來測(cè)試實(shí)際的有效輸入?yún)⒖茧妷悍秶?/div>
下面通過在某一給定的DAC8830的設(shè)置下，給定Vref，測(cè)量對(duì)應(yīng)的實(shí)際輸出。將三種不同設(shè)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(duì)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(nèi)都有效。
▲ 將三種不同設(shè)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(shè)置DAC8830轉(zhuǎn)換值為0x7fff，輸出的電壓波形如下圖所示。可以看到輸出（Blue）的電壓波形等于Vref(Cyan)的一半。
▲ DAC8830的Dout(Cyan)與Vref(Blue)的波形
當(dāng)設(shè)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(cè)試從Vref到Vout之間的頻帶寬度，在Vref中加入高頻方波信號(hào)，觀察輸出的Vout的信號(hào)。
▲ 加入高頻方波信號(hào)Vref(Blue)觀察輸出信號(hào)Vout(Cyan)
將波形再次展開，觀察輸出的過渡過程。
展開波形，對(duì)比輸入輸出波形，可以觀察到Vref到Vout之間的帶寬應(yīng)該超過1MHz。按照DAC8830數(shù)據(jù)手冊(cè)上關(guān)于參考電壓 -3dB帶寬的參數(shù)，典型值為1.3MHz。
▲ 加入高頻方波信號(hào)Vref(Blue)與輸出信號(hào)Vout(Cyan)波形
3.使用DAC對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行調(diào)幅
下面將固定的交流電壓（有直流分量，使得信號(hào)始終大于零）施加在Vref，測(cè)量Vout隨著DAC8830的設(shè)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(shè)置數(shù)值之間的關(guān)系為：
▲ 輸出電壓值與設(shè)置值之間的關(guān)系
可以看到整體上輸出與設(shè)置值之間的關(guān)系呈現(xiàn)非常好的線性關(guān)系。
注意到在曲線的一開始似乎有一些略微的非線性。下面重新采集設(shè)置值范圍在（0,0x3ff）范圍內(nèi)的輸出電壓與設(shè)置值之間的關(guān)系曲線。
▲ 輸出電壓值與設(shè)置值之間的關(guān)系
可以看到在起始的時(shí)候，由于系統(tǒng)存在噪聲，使得輸出的電流電壓與設(shè)定值之間存在一定的非線性。當(dāng)理論輸出電壓小于系統(tǒng)地線上的噪聲電壓時(shí)，使用交流萬用表測(cè)量得到的數(shù)值就會(huì)偏大。
下面重新對(duì)頻率為
的信號(hào)測(cè)量輸出電壓與設(shè)定值之間的關(guān)系。結(jié)果與1kHz的情形相同。只是輸出整體的增益下降了。
的信號(hào)測(cè)量輸出電壓與設(shè)定值之間的關(guān)系。結(jié)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(shè)置值之間的關(guān)系
增益變化了9%左右。
4.信號(hào)超量程
當(dāng)輸入信號(hào)的幅值超過DAC8830d的工作電壓，或者低于0V，輸出都會(huì)出現(xiàn)截止。
▲ 輸入信號(hào)超過+5V，低于0V的情況
結(jié)論
通過前面的實(shí)驗(yàn)，可以看到，使用DAC8830來當(dāng)做電位器獲得幅度可變的交流信號(hào)源是可行的。它具有很寬的信號(hào)帶寬，并且輸出信號(hào)的幅值與設(shè)置信號(hào)之間具有非常好的線性關(guān)系，只是在信號(hào)比較小的時(shí)候輸出會(huì)受到系統(tǒng)和芯片本身的噪聲影響。
當(dāng)輸入信號(hào)超出了DAC8830的工作電壓，或者低于0V時(shí)，輸出信號(hào)都會(huì)截止。所以在使用的時(shí)候，需要通過一定的信號(hào)偏置的方式將交流信號(hào)平移到始終在0~5V（DAC8830工作電壓）范圍之后進(jìn)行調(diào)試，然后可以再通過隔直電容去掉信號(hào)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(jī)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信號(hào)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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