DAC（D/A変換）

概要

DAC（Digital-to-Analog Converter：D/A変換器）は、マイコンやコンピュータが処理するデジタル値（2進数）を、連続的なアナログ電圧または電流に変換するハードウェアです。「D/A変換」「DA変換」とも呼ばれます。

ADC（A/D変換）がセンサーのアナログ出力をデジタルに取り込む役割を担うのに対し、DACはデジタル値をアクチュエータや出力信号として使えるアナログ電圧に変換します。音声データの再生（スピーカー出力）、アナログ制御信号の生成（モーターや電源の基準電圧）、波形発生器（任意波形ジェネレーター）など、幅広い用途があります。

分解能（ビット数）は8〜24ビットと幅広く、用途に応じて選択します。マイコン（MCU）にも8〜12ビットのDACを内蔵する製品が増えていますが、高精度・高速が必要な場合は外付けDAC ICを使います。

歴史・背景

DACの基本回路はR-2Rラダー型として1950年代から設計されていました。1960〜70年代にはオーディオ機器のデジタル化に伴い、高品質なDACが求められるようになりました。

1982年にCDが登場し、16ビット・44.1kHzサンプリングのDACが音楽再生の標準となりました。その後オーディオDACは24ビット・192kHz以上に進化しました。一方、産業用途ではΔΣ型やSAR型DACが計測・制御機器に採用されました。

マイコン内蔵DACは2000年代から増え始め、STM32シリーズは12ビット2チャンネルのDACを多くのラインナップで内蔵しています。ESP32もアナログ出力として8ビットDACを2チャンネル持ちます（精度は低い）。

技術仕様

DACの種類

方式	原理	分解能	速度	用途
R-2Rラダー型	抵抗ラダー	8〜16bit	中〜高速	汎用
電流加算型（I型）	電流源の合算	8〜16bit	高速	高速信号生成
ΔΣ（デルタシグマ）	ノイズシェービング	16〜24bit	低速	高精度・オーディオ
PWM + フィルタ	タイマー流用	タイマー精度依存	低速	低コスト代用

主要スペック

項目	説明
分解能	ビット数。12ビットなら0〜4095値（4096段階）
フルスケール出力電圧	通常0〜VREF（例：0〜3.3V）
セトリングタイム	出力が安定するまでの時間
スリューレート	出力電圧の変化速度（V/μs）
出力インピーダンス	負荷への出力能力（低いほど良い）
INL/DNL	理想値からの誤差（±LSB単位）
SFDR	スプリアスフリーダイナミックレンジ（信号品質）

主なDAC製品

マイコン内蔵DAC：

マイコン	分解能	チャンネル数	特徴
STM32F4xx	12bit	2ch	三角波・ノイズ波形生成対応
STM32H7xx	12bit	2ch	DMA・バッファアンプ対応
ESP32	8bit	2ch	精度は低い（参考値）
SAMD21	10bit	1ch	Arduinoベース機器

外付けDAC IC（SPI/I2C接続）：

IC	方式	分解能	チャンネル	インターフェース
MCP4725	R-2R	12bit	1ch	I2C
MCP4922	R-2R	12bit	2ch	SPI
DAC8563	R-2R	16bit	2ch	SPI
PCM5102	ΔΣ	32bit	2ch（立体音響）	I2S
AD5791	R-2R	20bit	1ch	SPI

動作原理

R-2Rラダー型DACの原理

R-2Rラダー回路は抵抗値がRと2Rのみの梯子状回路です。各ビットのスイッチを切り替えることで、そのビットの重み付けに応じた電流を出力ノードに加算します：

MSB              LSB
Vref ─[R]─ A ─[R]─ B ─[R]─ C ─[R]─ D ─ GND
            |        |        |        |
           [2R]     [2R]     [2R]     [2R]
            |        |        |        |
           SW3      SW2      SW1      SW0 (ビットスイッチ)
            ↓        ↓        ↓        ↓
           Vout合算ノード → 演算増幅器でバッファリング

Nビットの入力D（0〜2^N-1）に対し、出力電圧：

Vout = VREF × D / 2^N
例：12ビットDAC、VREF=3.3V、D=2048
Vout = 3.3 × 2048 / 4096 = 1.65V（ちょうど中間電圧）

STM32内蔵DACの使用例

// STM32 HALを使ったDAC出力

// 固定電圧出力（1.65V = フルスケールの50%）
HAL_DAC_Start(&hdac1, DAC_CHANNEL_1);
HAL_DAC_SetValue(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, 2048);  // 12ビット右詰め

// 電圧計算してセット
float target_v = 1.5f;  // 1.5Vを出力
uint32_t dac_val = (uint32_t)(target_v / 3.3f * 4095.0f);
HAL_DAC_SetValue(&hdac1, DAC_CHANNEL_1, DAC_ALIGN_12B_R, dac_val);

// DMAを使ったサイン波生成
#include <math.h>
#define SINE_SAMPLES 256
uint16_t sine_table[SINE_SAMPLES];

// サイン波テーブル生成（0〜4095の12ビット値）
void gen_sine_table(void) {
    for (int i = 0; i < SINE_SAMPLES; i++) {
        float angle = 2.0f * M_PI * i / SINE_SAMPLES;
        sine_table[i] = (uint16_t)((sinf(angle) + 1.0f) * 2047.5f);  // 0〜4095
    }
}

// DMAでサイン波を連続出力（タイマートリガー使用）
gen_sine_table();
HAL_DAC_Start_DMA(&hdac1, DAC_CHANNEL_1,
                  (uint32_t*)sine_table, SINE_SAMPLES,
                  DAC_ALIGN_12B_R);
// タイマー周波数でサイン波周波数が決まる
// 例：タイマー100kHz、256サンプル → 390Hz の正弦波

任意波形生成（AWG）

DACとDMAとタイマーを組み合わせると任意波形ジェネレーター（AWG）が実現できます：

// 三角波テーブル
uint16_t triangle_table[256];
void gen_triangle_table(void) {
    for (int i = 0; i < 128; i++) triangle_table[i] = i * 32;
    for (int i = 128; i < 256; i++) triangle_table[i] = (255 - i) * 32;
}

// のこぎり波テーブル
uint16_t sawtooth_table[256];
void gen_sawtooth_table(void) {
    for (int i = 0; i < 256; i++) sawtooth_table[i] = i * 16;
}

用途・ユースケース

DACが使われる組み込みアプリケーション：

音声出力: マイコンで音声データ（PCM）を再生するためのアナログ出力（スピーカー・ブザー）。タイマートリガーDACで44.1kHzサンプリングの音声再生が可能
アナログ制御信号（0〜5V / 4〜20mA）: 産業用センサー・バルブ・インバーターへの制御信号として、デジタル値をアナログ電圧/電流に変換
基準電圧（VREF）生成: ADCや計装アンプの基準電圧をDACで動的に設定
波形発生器: 評価・テスト用のサイン波・方形波・三角波・ノコギリ波を生成
モーター速度指令: アナログ入力を持つインバーターへの速度指令（0〜10V等）をDACで出力
照明制御: アナログ調光入力を持つLEDドライバーへの制御電圧

実装・開発のポイント

出力バッファアンプ（オペアンプ）

多くのマイコン内蔵DACは出力インピーダンスが高く、直接負荷を駆動できません。オペアンプのボルテージフォロワ（バッファアンプ）を出力に接続することで、低インピーダンスで安定した出力が得られます：

DAC出力 ─── (+)オペアンプ ─── 出力（アクチュエータ・計測器等）
              ↑(-) ─────────┘（フィードバック）

使用可能なオペアンプ例：
- LM358（5V単電源、安価）
- MCP6002（3.3V単電源、Rail-to-Rail）
- OPA2137（高精度・低ノイズ）

出力リップルとフィルタリング

DACの出力にはグリッチ（値変化時の瞬間的なノイズ）が発生します。低域通過フィルタ（RC or Sallen-Key）でグリッチと高調波を除去します。特に音声出力では再生帯域外のノイズ除去が重要です。

電源ノイズの影響

DACの出力精度はVREFの安定性に直結します。デジタル回路のスイッチングノイズがVDDAを通じてDACに混入するため、DACの電源ピンには専用のフェライトビードとデカップリングコンデンサを配置します。

4〜20mAカレントループ出力

産業機器ではアナログ電圧（0〜10V）よりも電流ループ（4〜20mA）が多く使われます。DACの電圧出力を電圧/電流変換回路（V/I変換）で電流に変換します：

DAC(0〜3.3V) → オペアンプV/I変換回路 → 4〜20mA出力 → 産業機器
（例：R=165Ω使用: 0〜3.3V → 0〜20mA / 抵抗・トランジスタで実装）

他技術との比較

DAC vs PWM（疑似アナログ）

PWM（パルス幅変調）でもRC積分フィルタを通すことでアナログ電圧に近い出力が得られます。ただしリップルが残り、出力インピーダンスも高くなります：

項目	DAC	PWM + RCフィルタ
出力品質	クリーンなアナログ	リップルあり
応答速度	高い	フィルタの遅延あり
コスト	DACハードウェアが必要	抵抗・コンデンサのみ
精度	DACのビット精度	タイマー精度依存

音声・高精度制御にはDAC、LED調光・モーター制御にはPWMが適切な使い分けです。

内蔵DAC vs 外付けDAC

内蔵DACはコスト・配線不要の利点がありますが、デジタルノイズの影響を受けやすく精度に限界があります。高精度・低ノイズが必要な計測・オーディオ用途では外付けの専用DAC ICを選びます。

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