01缘起

为什么要讨论电子电位器？

为什么要讨论使用一个DAC作为电位器呢？主要原因如下：

在信号源的驱动下，使用电位器可以很容易地形成振幅值可调的交流信号源。与使用通常的可编程直流电源或DAC在输出电压方面，输出是范围可变的交流信号源，可用于许多自动测量环节。
为什么不直接使用？机械电位器改变信号源的振幅值？另一个原因是信号的振幅值自动可编程。
现在有数字电位器，比如X9C102,X9C103,X9C104,AD5272等等，为什么不用它们来实现正确交流信号源改变幅值怎么样？其中一个主要原因是设备频带宽度¹问题。与机械电位器相比，这些电子电位器(变阻器)工作频带宽度相对较窄，不适合高频信号。

^{▲ 重要的人，不能忘记的人，不想忘记的人，你是谁？}

2.为什么要用？DAC做电位器？

DAC用作电位器改变交流信号的原理是什么？
使用DAC分压交流信号的优点是什么？
能否克服前数字电位器频带过窄的问题？

利用DAC当做电位器通过改变交流信号的振幅，可以进行相关讨论 What is the Multiplying DAC? 来看到。

写这些话的时候，我还不知道具体的答案。让我们通过实验来验证它们。

02构建基础实验电路

最近刚买了几片16bit的DAC 芯片DAC8830IDR（价格6.6），具有SPI基于此的界面DAC验证以前想法的可行性。

1.实验电路设计

由于DAC8830使用SPI接口来设置输出电压，使用STC8G1K（SOP16)作为控制器完成其信号控制。

2）PCB

实验原理图LAYOUT，尽量满足单面PCB板材生产工艺要求。快速制版后，获得相应的实验电路板。

^{▲ 实验电路板PCB设计}

2.MCU软件编程³

^{▲ 单片机硬件配置}

调试串口的波特率：460800

1) DA8830访问子程序

使用STC8G的SPI端口对DA8830访问。DA8830的SPI读写时序，相应的DAC8830写入转换（16bit）数据子程序为：

void DAC8830Set(unsigned int nDAC) { 
             OFF(DAC8830_CS);          SPISendChar((unsigned char)(nDAC >> 8));     SPISendChar((unsigned char)nDAC);          ON(DAC8830_CS);      }

^{▲ DA8830的SPI读写时序}

对应的DA8830的CS，SPK的波形为：

^{▲ 观察到}示波器DA8830的CS，CLK的波形

从上面的波形可以看出，DAC8830Set()函数的执行时间在STC8G1K17（35MHz）执行时间约为3 3.2 μ s 3.2\mu s 3.2μs。

在静态下，通过两个 R r 1 = 510 Ω R_{r1} = 510\Omega Rr1=510Ω电阻组成的参考电压分压电路，生成大约2.5V的参考电压。实际测量电压为： V r e f = 2.419 V V_{ref} = 2.419V Vref=2.419V。根据DA8830数据手册，DAC8830的参考电压输入阻抗大约为： R D A 8830 V r e f = 9 k Ω R_{DA8830Vref} = 9k\Omega RDA8830Vref=9kΩ。因此，理论计算所得到的参考电压为： V r e f = + 5 V × R D A 8330 V r e f R D A 8330 + R r 1 / 2 = 5 ∗ 9000 9000 + 510 / 2 = 4.862 V V_{ref} = + 5V \times { {R_{DA8330Vref} } \over {R_{DA8330} + R_{r1} /2}} = { {5*9000} \over {9000 + 510/2}} = 4.862V Vref=+5V×RDA8330+Rr1/2RDA8330Vref=9000+510/25∗9000=4.862V 这个数值比起前面实际测量得到的 V r e f V_{ref} Vref要大，这说明对应的DA8830的参考电压管脚的阻抗比起 9 k Ω 9k\Omega 9kΩ还要小。

为了便于测量数据波形，调用DA8830Set（）函数中的输入参数为 N 1 = 0 x 5555 N_1 = 0x5555 N1=0x5555。那么输出电压计算值应该为： V o u t = N 1 0 x f f f f × V r e f = 0 x 5555 0 x f f f f × 2.419 = 0.806 V V_{out} = { {N_1 } \over {0xffff}} \times V_{ref} = { {0x5555} \over {0xffff}} \times 2.419 = 0.806V Vout=0xffffN1×Vref=0xffff0x5555×2.419=0.806V 实际测量DA8830的输出电压为： V o u t = 0.821 V V_{out} = 0.821V Vout=0.821V。

2) 输出电压波形

^{▲ 每1ms写入DAC8830递增数据的CS，DI数据波形}

写入递增的数据，输出波形。

for(;;) { 
        
    WaitTime(1);
    //----------------------------------------------------------------------
    DAC8830Set(nShowCount);
    nShowCount += 0x200;
    //----------------------------------------------------------------------
}

此时Dout输出递增的锯齿波形。

^{▲ 输出递增的锯齿波形}

03参考电压对DAC输出信号的影响

下面经过几组实验，来验证DAC的参考电压对于输出信号的影响。

1.参考电压的有效范围

在DAC8830的数据手册中，对于参考电压的输入范围给定的是1.25V ~ Vpp。下面通过一组实验来测试实际的有效输入参考电压范围：

下面通过在某一给定的DAC8830的设置下，给定Vref，测量对应的实际输出。下面依次在给定0x7fff（半量程）,0xffff（全量程）以及0xfff下输出电压与参考电压之间的关系。

^{▲ DAC8830Set(0x7fff)时的Vref与Vout之间的关系}

ref=[0.00,0.10,0.21,0.31,0.41,0.51,0.61,0.72,0.82,0.92,1.02,1.12,1.22,1.33,1.43,1.53,1.63,1.73,1.84,1.94,2.04,2.14,2.24,2.35,2.45,2.55,2.65,2.75,2.85,2.95,3.06,3.16,3.26,3.36,3.46,3.56,3.66,3.77,3.87,3.97,4.07,4.17,4.28,4.38,4.48,4.58,4.68,4.78,4.89,4.99]
out=[0.00,0.05,0.10,0.16,0.21,0.26,0.31,0.36,0.41,0.46,0.51,0.56,0.61,0.66,0.71,0.77,0.82,0.87,0.92,0.97,1.02,1.07,1.12,1.17,1.22,1.27,1.32,1.37,1.42,1.47,1.53,1.58,1.63,1.68,1.73,1.78,1.83,1.88,1.93,1.98,2.03,2.08,2.13,2.18,2.23,2.29,2.34,2.39,2.44,2.49]

^{▲ DAC8830Set(0xffff)时的Vref与Vout之间的关系}

ref=[0.00,0.10,0.21,0.31,0.41,0.51,0.61,0.72,0.82,0.92,1.02,1.12,1.22,1.33,1.43,1.53,1.63,1.73,1.84,1.94,2.04,2.14,2.24,2.34,2.44,2.55,2.65,2.75,2.85,2.95,3.05,3.15,3.25,3.36,3.46,3.56,3.66,3.76,3.86,3.96,4.07,4.17,4.27,4.37,4.47,4.57,4.68,4.78,4.88,4.98]
out=[0.01,0.11,0.21,0.31,0.41,0.51,0.62,0.72,0.82,0.92,1.02,1.12,1.22,1.33,1.43,1.53,1.63,1.73,1.83,1.93,2.04,2.14,2.24,2.34,2.44,2.54,2.64,2.74,2.84,2.94,3.04,3.15,3.25,3.35,3.45,3.55,3.65,3.75,3.85,3.96,4.05,4.16,4.26,4.36,4.46,4.56,4.66,4.76,4.87,4.97]

^{▲ DAC8830Set(0xfff)时的Vref与Vout之间的关系}

ref=[0.00,0.10,0.21,0.31,0.41,0.51,0.61,0.72,0.82,0.92,1.02,1.12,1.23,1.33,1.43,1.53,1.63,1.74,1.84,1.94,2.04,2.14,2.24,2.35,2.45,2.55,2.65,2.75,2.85,2.95,3.05,3.15,3.25,3.36,3.46,3.56,3.66,3.76,3.86,3.97,4.07,4.17,4.27,4.37,4.47,4.57,4.68,4.78,4.88,4.98]
out=[0.00,0.01,0.01,0.02,0.03,0.03,0.04,0.05,0.05,0.06,0.07,0.07,0.08,0.08,0.09,0.10,0.10,0.11,0.12,0.12,0.13,0.13,0.14,0.15,0.15,0.16,0.17,0.17,0.18,0.19,0.19,0.20,0.20,0.21,0.22,0.22,0.23,0.24,0.24,0.25,0.26,0.26,0.27,0.27,0.28,0.29,0.29,0.30,0.31,0.31]

下面是将前面三种不同设置下的输出电压与参考电压之间的关系绘制在一起。从图中可以看到，实际上，DA8830的参考电压对于输出电压的等比例的影响范围是在整个的工作电压（0~5V）之内都有效。

^{▲ 将三种不同设置下的参考电压与输出电压绘制在一起}