DAC（ダック）

2025年10月29日

DAC（ダック）

英語表記: DAC (Digital-to-Analog Converter)

概要

DAC（ダック）は、マイコンやCPUといったデジタル回路が出力する、0と1の不連続なデジタル信号を、電圧や電流などの連続的な物理量であるアナログ信号に変換する電子部品です。この変換プロセスは、私たちが扱う「組み込み機器（IoTデバイス, マイコン）」が、現実世界に対して何らかの働きかけを行う際に不可欠な役割を果たしています。具体的には、この変換器がなければ、マイコンが出した指令をスピーカーが音として鳴らしたり、モーターが滑らかに動いたりすることはできません。DACは、デジタル世界と物理世界をつなぐ、非常に重要な「翻訳機」なのです。

詳細解説

DACは、タキソノミの「組み込み機器（IoTデバイス, マイコン） → センサーとアクチュエータ → アナログ/デジタル変換」の中で、出力側の要として機能します。IoTデバイスの核となるマイコンは、すべてデジタル（離散値）で動作します。しかし、現実世界で必要とされる出力、例えば音声の波形、ロボットアームの微妙な角度、照明の段階的な明るさなどは、すべてアナログ（連続値）です。このデジタルとアナログの根本的な差異を解消するのが、DACの存在意義に他なりません。

組み込み機器におけるDACの役割

多くの組み込み機器では、省スペース化や低コスト化のため、マイコンのチップ内部にDAC機能が統合されていることが増えています。これにより、外部に専用のDACチップを設ける必要がなくなり、設計がシンプルになります。DACの主な目的は、マイコンが計算し、決定した「意図」を、アクチュエータが理解できる形式（アナログ電気信号）に変換し、現実世界に影響を与えることです。

動作原理と主要コンポーネント

DACの動作は、入力されたデジタルデータ（バイナリコード）の各ビットに対して、重み付けされた電流または電圧を割り当て、それらを合計することでアナログ出力を生成するというものです。

最も古典的で理解しやすい構成の一つが「R-2Rラダー抵抗回路」です。これは、Rという抵抗値と、その2倍の抵抗値（2R）のみを使って構成されるシンプルな回路です。デジタル入力の各ビット（桁）が、この抵抗ラダーを通じて、アナログ出力に寄与する重みが決定されます。

たとえば、4ビットDACの場合、入力データは0000から1111までの16段階です。
1. 最上位ビット（MSB）: デジタル値の半分（8/16）の重みを持ちます。このビットが「1」になると、出力電圧に最も大きく貢献します。
2. 最下位ビット（LSB）: デジタル値の最小単位（1/16）の重みを持ちます。

これらの重み付けされた電圧または電流をすべて足し合わせることで、入力されたデジタル値に正確に比例したアナログ電圧が出力されるわけです。この仕組み、本当に巧妙で素晴らしいと思いませんか。

性能を決める二つの要素

組み込み機器の設計者は、用途に応じてDACの性能を選定します。特に重要なのが「分解能」と「精度」です。

分解能（Resolution）: これはビット数で表され、アナログ信号をどれだけ細かく表現できるかを示します。10ビットDACであれば$2^{10}=1,024$段階、16ビットDACであれば65,536段階の出力が可能です。音響機器や医療機器など、高い忠実度や精密さが求められる分野では、16ビット、24ビットといった高分解能なDACが必須となります。分解能が低いと、出力波形が階段状になり、ノイズ（量子化ノイズ）として現れてしまうのです。
変換速度: 信号をどれだけ速く変換できるかを示す指標です。高速な通信やリアルタイム制御が必要なシステムでは、この変換速度がシステムの応答性に直結します。

DACは、単なる変換器ではなく、組み込み機器が現実世界と円滑に、そして高精度にコミュニケーションするための生命線と言えるでしょう。

具体例・活用シーン

DACは、私たちが普段意識しない場所で、デジタル機器の出力をアナログに変換し続けています。タキソノミの文脈で言えば、アクチュエータを駆動するほぼすべての組み込み機器に搭載されていると考えて間違いありません。

オーディオ機器（スマートフォン、ポータブルプレイヤー）:
デジタル音源データ（MP3やWAV）は、DACによってアナログの電気信号に変換されます。このアナログ信号がイヤホンやスピーカーを振動させることで、私たちは音楽として認識できます。音質にこだわるハイエンドなオーディオ機器では、ノイズの少ない高性能なDACチップの搭載が、製品の大きな差別化要因となっています。
産業用ロボット、CNC工作機械:
これらの精密機器では、モーターの回転速度や位置決めをミクロン単位で制御する必要があります。マイコンが目標の制御量をデジタルで計算し、DACを通じて非常に滑らかな、連続的な制御電圧をモータードライバーに送ることで、ロボットはガタつきなく、正確な動作を実現します。
無線通信機器（RF送受信機）:
デジタルで処理された通信信号を、実際に電波として送信するために、DACがアナログの高周波信号に変換します。高速で正確な変換が、通信品質に直結します。