PART16신호변환기(Signal Converter)

실험 2 :디지털-아날로그 변환기(DAC)

이론

가중 저항을 이용한 DAC

그림 16-8(a)는 4비트의 2진수에 비례하는 아날로그 전압을 얻는 한 가지 방법으로서 2진적으로 가중(weighted)저항 R₀, 2R₀, 4R₀, 8R₀를 통하여 흐르는 전류를 가산기로 합하고 있다. 예컨대 2진수가 1101(13(10))일 때 그림에서 스위치 S1만 OFF되어 접지되고(MOS 스위치의 경우 게이트전압을 LOW로 하여 OFF 시킨다) 나머지는 ON되어 기준전압 V_R에 연결된다. 따라서 출력전압 V₀ = -R_Fi는 다음과 같이 되므로 기준 전압은 매우 정확해야 한다.

입력저항은 적은 것일수록 정확도가 높아야 한다. 또한, 스위치의 ON 저항은 최소저항 R₀의 1/2ⁿ보다 적어야 한다.(n:비트수) 왜냐하면 일반적으로 입력이 n비트일 경우 출력의 최대치는 다음과 같기 때문이다.

따라서 예컨대 R0=10㏀,, 8비트일 때 V0= 0 ~ -10V까지 얻으려면 제일 큰 입력저항은
27R0=1.28㏁,R_F=R₀×10×2⁷/((2⁸-1))=50.196KΩ
으로 해야 한다. 이와 같이 비트가 높을수록 큰 저항이 필요하다는 것이 이 형식의 DAC의 결점이다. 다음에 기술할 DAC는 이 문제를 해결해 준다. 스위치로써는 그림 16-8(b)와 같은 CMOS 인버터가 적당하다. 보통 DAC 뒤에 S/H(Sample/Holder)회로를 연결한다. 입력 디지털신호는 동시에 병렬적으로 변하므로 S/H의 출력은 그림 16-8(c)와 같이 계단식으로 변한다. 이것을 매끄러운 아날로그신호로 만들기 위하여 그 뒤에 저역통과필터(LPF)를 연결한다. LPF의 차단주파수는 스위치를 동작시키는 클럭주파수보다는 낮게 하고 신호에 포함된 최고주파수보다는 높게 해야 한다.

R-2R 사다리꼴 DAC

이것은 R과 2R의 두 가지 저항들을 사다리꼴로 연결한 것으로써 그림 16-9은 4비트의 2진 입력에 대한 것이다. 입력 2진수 1101(13₍₁₀₎)에 대해서는 그림에서 S1만이 그라운드되고 기타는 기준전압 V_R 에 연결되어 다음과 같이 된다.

예컨대 V_R = 1V일 때 최대출력을 10V로 하려면 1+(R2/R1)/24×15=0으로부터 R2/R1=15로 하면 된다.

(1) R-2R 사다리꼴 DAC는 하중 R DAC에 비해서 저항의 개수가 2배이지만 두 가지 저항 값만이 필요하고 특성은 각 저항의 정밀도가 아니라 저항비에 관계되므로 저항비의 정밀도가 높아야 한다. 또 스위치의 ON 저항은 RON은 2진수의 MSB 쪽에서 더 큰 영향을 주므로 2R/R_ON의 비를 크게 해야 한다.

(2) 각 절점과 접지 사이에 분포용량이 존재한다. 따라서 위쪽에서 발생한 스탭전압일수록 출력까지 전달하는 데 지연(delay)이 생기며, 이것이 고속동작을 저해한다. 그림 16-9의 DAC는 이러한 문제를 해결해 준다.

실험 과정

1. 실험을 위해 M-16의 회로-2를 이용한다. 그리고 디지털 입력을 얻기 위해 M-16의 회로 –1을 다음과 같이 한다.

2. 1e-1f를 연결한 후 1a-1b 단자에 DC 12.75V를 인가한다.

3. 회로-1의 R₄를 가변하여 Data Output 0~7에 해당하는 LED가 모두 점등되게 한다. 단, “0”에 해당하는 LED는 소등에서 점등으로 바뀌는 순간에 정확히 조정한다.

4. Connector Cable을 이용하여 회로-1과 회로-2의 소켓에 각각 연결한다.

5. M-16의 회로-2에서 2c-2d 양단 전압이 DC 12.75V가 되도록 회로-2의 R₁을 가변하여 정확히 맞춘다.

5. In Circuit-2 of M-16, adjust R1 of Circuit-2 so that the voltage between 2c-2d’s both ends becomes DC 12.75V.

6. Data Input(회로-1의 ADC 출력을 이용)이 표 16-2와 같이 인가될 때의 아날로그 출력 값을 표 16-2의 해당란에 기록한다.(LED의 상태로 H, L 결정)

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