探讨分辨率更高、位数更少的三进制DAC

本设计实例探讨了分辨率更高、位数更少的三进制DAC。尽管精确的三进制DAC实现可能要比普通的二进制DAC更困难 (特别在分辨率提高时困难更大)，但五个三态位 (35=243) 本质上就可与常规八个两态位 (28=256) 性能相近。与所有简单的DAC设计一样，三态 DAC电源噪声也会传递到输出端。

当EDN忠实读者和设计实例栏目的投稿人Jim Brannan提出要写一篇关于三进制DAC设计的文章时，我感到非常高兴。像Charlieplexing（一种采用较少管脚驱动多路复用显示的技术）一样，他的想法是利用三态输出以便从一个管脚上获取更多信息，而不仅仅是“0”和“1”。例如，对于一个三态的四位DAC，理论上能够产生81（34）种输出值，而不是通常（两态）的16（24）种。而三态的五位DAC（35=243）本质上与常规的两态八位（28=256）性能相近，尽管精确的三进制DAC实现可能要比普通的二进制DAC更困难，特别是分辨率的提高带来更大的困难。

一如既往，我先Google是否有类似的创意想法。果然，找到了两页描述类似设计的文献。Jim也看了，他觉得没啥可补充的。所以，设计创意的文章也就搁浅了。但我觉得这个创意无论如何都值得说一下。另外，Jim的方法确有独到之处。

在开始之前，或许该花点时间想一下你自己会如何构思一个三态DAC。在下面的想法占领你的大脑前，也许你会另辟蹊径，想出一种新方法。

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好吧，这是我自己的实现思路：

图1：采用带中间电源参考的加法放大器实现三进制 DAC。

实际上，我最初的想法是将放大器的（+）输入设置为-VDD，但后来我意识到浮动输出会被拉向负电源，可能会钳位在-0.7V，且通常无法工作。VDD/2参考表示0、1、2状态，对应于0、Z、1输出值（“Z”表示高阻抗和/或输入模式）。

另一个硬件问题是，当输入处于中间电压轨时，某些微控制器可能会吸收过多的供电电流，因此要确认这不会出问题。要禁用数字输入模式，或使用可设置为模拟输入的引脚。

驱动三进制DAC需要一个查找表，或从二进制到三进制的转换程序。在大多数情况下，除非在一个写周期内设置好引脚模式和值，否则DAC输出将在其设置发生改变时产生毛刺现象。

被Jim放弃的设计想法使用无源“R-2R”类型的DAC，他写了用于搜索许多阻值组合的软件。意识到无法创建一款完美的线性DAC，他的方案是使用查找表，DAC的表现有些不平衡也就只好接受了。

在Josh Bowman的博客中，他描述了自己对三进制DAC的构想。它采用一种类R-2R结构，用较低值的电阻将电源分压以产生中间电平的“Z”值。

图2： Josh Bowman的无源三进制DAC。

正如你在下面看到的，设计中有冗余的值，可用来进行校准。

图3：原始和校准过的积分非线性（INL）性能。

在Arduino论坛上也有几个关于三进制DAC设计的讨论，感兴趣可以去看看。

如果你对三进制DAC设计实现有自己的想法，请在写下你的经验。我们很乐意倾听你的分享。请记住，与所有这些简单的DAC设计一样，三态DAC电源噪声也会传递到输出端。

《电子技术设计》2018年4月刊版权所有，转载请注明来源及链接。