微控制器片載DAC如何生成精密模擬信號(hào)

　　某些 32 位微控制器配有片載數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC），用于產(chǎn)生頻率或電壓。對(duì)于許多應(yīng)用而言，這種配置不僅提供了更多功能，而且節(jié)省了電路板空間。然而，這些應(yīng)用可能要求微控制器中沒(méi)有的專用 DAC 功能。

　　本文首先討論微控制器片載 DAC 的功能和局限性，然后介紹高精度外部 DAC 解決方案的示例，最后說(shuō)明如何使用它們來(lái)生成精密模擬信號(hào)。

　　片載 DAC 的運(yùn)作方式

　　為了讓設(shè)計(jì)人員能夠生成自定義模擬信號(hào)，微控制器制造商已經(jīng)開始在微控制器上添加片載 DAC 外設(shè)。這些裝置可用來(lái)生成精密電壓，以及包括正弦波和三角波在內(nèi)的自定義波形。此外，DAC 還可以用于語(yǔ)音合成。

　　DAC 產(chǎn)生的輸出電壓可以低至 0 伏，也可以高至 DAC 的模擬基準(zhǔn)電壓。電壓與 DAC 數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)字值成比例關(guān)系，精度取決于 DAC 的分辨率。例如，如果 DAC 的分辨率是 8 位，基準(zhǔn)電壓是 5 伏，則 DAC 的 1 LSB 精度為 5/255 = 0.0196 伏。因此，在理想情況下，如果 8 位 DAC 數(shù)據(jù)寄存器包含 01h，那么 DAC 輸出將相當(dāng)于 1 LSB 或 0.0196 伏。如果 8 位 DAC 數(shù)據(jù)寄存器包含值 F1h （241），則理想 DAC 的輸出將是 4.7236 伏。理想情況下，若向 DAC 數(shù)據(jù)寄存器增加 01h，輸出電壓值應(yīng)該增大 1 LSB。

　　當(dāng)然，就像任何模擬電路一樣，不存在理想的 DAC。DAC 輸出值與數(shù)據(jù)寄存器理想值之間的差異稱為差分非線性 （DNL） 誤差，以 LSB 為單位。例如，典型的微控制器 DAC 可能規(guī)定 ±2 LSB 的 DNL。

　　此外，DAC 還會(huì)出現(xiàn)線性增益誤差，該誤差以增加到理想輸出的百分比來(lái)衡量，通常在輸出電壓上增加 0.5％。

　　對(duì)于理想的 DAC，輸出值與 DAC 數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容的關(guān)系圖將是一條直線。對(duì)于實(shí)際的 DAC，通過(guò)增加由 DAC 電路參數(shù)變化引起的線性誤差后，也會(huì)是一條直線?，F(xiàn)實(shí)中，這條線并非真正意義上的直線，而會(huì)向外彎曲形成一條非線性曲線。這種非線性也是 DAC 電路的電壓和溫度發(fā)生變化產(chǎn)生的結(jié)果。此類非線性誤差稱為積分非線性 （INL） 誤差。對(duì)于微控制器 DAC 而言，此誤差可能是 ±4 LSB 或更高。

　　在生成頻率時(shí)，微控制器 DAC 的最快輸出頻率限制為微控制器的 CPU 頻率。

　　所有 DAC 都需要準(zhǔn)確的基準(zhǔn)電壓來(lái)提供精密模擬信號(hào)。在新型微控制器上，DAC 基準(zhǔn)電壓通常源自專用的模擬基準(zhǔn)電壓引腳。這種在微控制器內(nèi)部的模擬基準(zhǔn)電壓會(huì)單獨(dú)與內(nèi)部數(shù)字邏輯保持隔離，以最大限度減少電源紋波。然而，高速數(shù)字邏輯可能會(huì)產(chǎn)生一些小干擾。雖然 DAC 外設(shè)在產(chǎn)生正弦波時(shí)不易受電源紋波的影響，但當(dāng)需要穩(wěn)定和精確的輸出電壓時(shí)，或者在生成合成語(yǔ)音或樂(lè)音時(shí)，這種紋波會(huì)很明顯。

　　雖然使用更高的基準(zhǔn)電壓可以最大限度地降低電源紋波的影響，但也會(huì)阻止 DAC 產(chǎn)生較小電壓，同時(shí)還會(huì)將 DAC 的精度降低 1 LSB。

　　適合小信號(hào)的單芯片外部 DAC

　　大多數(shù)微控制器上的 DAC 外設(shè)都能為常見應(yīng)用提供足夠的精度。然而，有些情況需要極高的精度和/或速度，這時(shí)，使用外部 DAC 就顯得很有必要了。

　　Texas Instruments 擁有一系列外部 DAC，可針對(duì)各種設(shè)計(jì)問(wèn)題生成模擬信號(hào)。例如，如果電路板空間不足，可以使用 DAC80508MYZFT 16 位 DAC，這款 DAC 非常小巧，尺寸僅為 2.4 x 2.4 mm，采用的是 DSBGA 封裝。該 DAC 具有 8 個(gè)輸出，可通過(guò) SPI 接口與大多數(shù)微控制器連接，時(shí)鐘速率高達(dá) 50 兆赫 （MHz）（圖 1）。

　　圖 1：DAC80508 可通過(guò) SPI 接口連接到大多數(shù)微控制器，并擁有 8 個(gè)相同的模擬輸出通道。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　DAC80508 既可以使用外部模擬基準(zhǔn)電壓，也可以使用 DAC 的數(shù)字電源電壓來(lái)產(chǎn)生自己的精度為 ±5 mV 的 2.5 伏內(nèi)部基準(zhǔn)電壓?；鶞?zhǔn)電壓漂移最低為每攝氏度百萬(wàn)分之二 （ppm/°C）。該漂移值可在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內(nèi)提供高度穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。或者，可將基準(zhǔn)電壓除以 2，以提供具有 1.25 V 上限的模擬信號(hào)。

　　DAC80508 具有大多數(shù)微控制器 DAC 外設(shè)所不具備的精度。INL 和 DNL 的典型值均為 ±0.5 LSB，最大值均為 ±1 LSB。增益誤差典型值為 ±0.5％，最大值為 ±1％。憑借 16 位分辨率，這種精確度水平非常適合將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻。例如，該產(chǎn)品可用于轉(zhuǎn)換通過(guò)光纜傳輸?shù)拿}沖編碼調(diào)制 （PCM） 數(shù)字音頻，或者轉(zhuǎn)換來(lái)自存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)字音頻。在將數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換為 16 位音頻數(shù)據(jù)后，DAC80508 可將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為通過(guò)普通 RCA 電纜發(fā)送的模擬音頻信號(hào)。如果將基準(zhǔn)電壓設(shè)為 1.25 伏，則該精度足以產(chǎn)生線路級(jí)音頻信號(hào)。

　　此外，DAC80508 還配有輸出增益放大器，可將輸出電壓翻倍，生成兩倍于基準(zhǔn)電壓的輸出電壓。

　　通過(guò) SPI 接口，利用 DAC80508 生成模擬波形非常簡(jiǎn)單。每個(gè)發(fā)送到 DAC 數(shù)據(jù)寄存器的 SPI 命令包都是 32 位寬。每個(gè)命令包都包含要寫入的通道地址，以及要寫入到寄存器的 16 位數(shù)據(jù)。任何 DAC80508 輸出通道均可以經(jīng)過(guò)編程，使其在將數(shù)據(jù)寫入寄存器時(shí)立即產(chǎn)生輸出電壓，或者保留 DAC 數(shù)據(jù)寄存器中的所有值，直到 SPI 寫入內(nèi)部廣播寄存器。若向八個(gè)廣播寄存器位位置中的任何一個(gè)寫入邏輯“1”，只會(huì)用 DAC 數(shù)據(jù)寄存器中的值更新相應(yīng)的 DAC 輸出。這樣就能生成同步信號(hào)，適合為測(cè)試設(shè)備生成波形。

　　避免信號(hào)錯(cuò)誤和噪聲

　　在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用時(shí)，偶爾會(huì)不可避免地受到干擾，在高電壓環(huán)境中尤為如此。為了防止因 SPI 受到干擾導(dǎo)致輸出信號(hào)錯(cuò)誤，DAC80508 可以選擇在每個(gè) SPI 數(shù)據(jù)包的末尾生成一個(gè) 8 位校驗(yàn)和（圖 2）。如果校驗(yàn)和有效，則寫入 DAC 數(shù)據(jù)寄存器。但如果校驗(yàn)和無(wú)效，則不會(huì)寫入任何數(shù)據(jù)。也可選擇在校驗(yàn)和無(wú)效時(shí)，DAC 可將 SPI SDO 引腳拉低，充當(dāng)?shù)碗娖接行?bào)警引腳。微控制器固件應(yīng)負(fù)責(zé)處理無(wú)效的校驗(yàn)和。

　　圖 2：32 位 SPI 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。當(dāng) DAC80508 的 DAC 數(shù)據(jù)寄存器 SPI 數(shù)據(jù)包包含 8 位校驗(yàn)和時(shí)，數(shù)據(jù)包首先發(fā)送 MSB，最后幾位 （7:0） 包含校驗(yàn)和。校驗(yàn)和由 DAC80508 自動(dòng)生成。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　不管 DAC 標(biāo)明多高的精度，只有使用干凈的電源才能保證準(zhǔn)確度。DAC80508 的 VDD 必須具有低噪聲且無(wú)紋波，這一點(diǎn)至關(guān)重要。如果在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中使用 DAC80508，則必須格外小心，因?yàn)檫@些電源本質(zhì)上非常嘈雜。對(duì) VDD 進(jìn)行濾波非常重要，因此必須在 VDD 和模擬接地之間放置一個(gè) 1 -10 微法 （μF） 電容器以及一個(gè) 0.1μF 電容器。應(yīng)使用低 ESR 的陶瓷電容，并且應(yīng)盡可能靠近 VDD 引腳放置。

　　模擬信號(hào)輸出端應(yīng)保持在印刷電路板邊緣附近，并應(yīng)與數(shù)字元器件充分隔離。這樣不僅可以防止對(duì) DAC 模擬輸出產(chǎn)生干擾，還可以防止這些模擬信號(hào)干擾印刷電路板上的其他信號(hào)。

　　高速的高性能 DAC

　　有些時(shí)候，要求嚴(yán)苛的應(yīng)用需要極高的性能。DAC 甚至可以生成千兆赫級(jí)別的信號(hào)。當(dāng)直接模擬電路無(wú)法產(chǎn)生雷達(dá)所需的精度時(shí)，DAC 的這一特性對(duì)雷達(dá)設(shè)備尤為重要。針對(duì)此類應(yīng)用，可以使用 Texas Instruments 的 DAC38RF82IAAV 高速射頻雙通道 DAC，在相對(duì)較小的 10 mm x 10 mm BGA 封裝內(nèi)生成 1 千兆赫 （GHz） 以上的波形（圖 3）。

　　圖 3：DAC38RF82 是一款具有超高性能的 DAC，可以生成 1 GHz 以上的波形。這款 DAC 通過(guò)低功耗、8 通道 JEDSD204B 12.5 Gb/s 接口連至主機(jī)微處理器。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　DAC38RF82 支持三種分辨率。當(dāng)設(shè)為 16 位分辨率時(shí)，可生成高達(dá) 2 GHz 的射頻信號(hào)。當(dāng)選擇 12 位分辨率時(shí)，可以生成 2.66 GHz 信號(hào)。最快的模式是設(shè)為 8 位分辨率時(shí)的模式，這時(shí)，DAC38RF82 可生成 4.5 GHz 的波形。當(dāng)然了，這些速度均超過(guò)了任何微控制器片載 DAC 外設(shè)的能力。

　　DAC38RF82 的性能出眾，足以在諸如信號(hào)塔等基帶發(fā)射器中使用，也可用于為高端測(cè)試設(shè)備等應(yīng)用生成自定義波形。此外，DAC38RF82 還可用于為自動(dòng)駕駛車輛生成雷達(dá)信號(hào)。

　　該器件比 DAC80508 更加復(fù)雜。若要生成高達(dá) 4.5 GHz 的信號(hào)，需要速度極快的數(shù)據(jù)接口。DAC38RF82 使用的是 JESD204B 串行數(shù)據(jù)接口，該接口在 8 位模式下的最高速度可達(dá) 9 Gb/s。憑借這些接口速度，此器件可以連接 FPGA 或 ASIC。

　　在 12 位或 16 位模式下使用時(shí)，DAC38RF82 可以產(chǎn)生兩種射頻波形，而在高速 8 位模式下，僅支持一種波形。該器件需要三個(gè)電源電壓，分別是 1 伏、1.8 伏和 -1.8 伏?？紤]到此器件的典型應(yīng)用需求，這些電源電壓必須非常干凈且無(wú)紋波。理想情況下，DAC 的三個(gè)主要且相對(duì)獨(dú)立的部分（數(shù)字子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)和時(shí)鐘子系統(tǒng)）應(yīng)分別具有自己的分區(qū)電源，以避免發(fā)生任何意外交互。

　　DAC 的 DNL 典型值為 ±3 LSB，INL 典型值為 ±4 LSB，增益誤差典型值為 ±2％。通過(guò)在測(cè)試期間選擇適當(dāng)?shù)?DAC 數(shù)據(jù)寄存器值，可以確保給定應(yīng)用的精度。

　　開始 DAC38RF82 開發(fā)

　　若要能夠生成如此高的頻率并保持足夠的精度，評(píng)估板在開發(fā)過(guò)程中起到關(guān)鍵作用。DAC38RF82 由 DAC38RF82EVM 評(píng)估和開發(fā)板提供支持，該板可支持這款高端 DAC 的所有功能。DAC38RF82 需要 TSW14J56EVM 數(shù)據(jù)捕獲接口板，以生成連接到 DAC38RF82EVM 的數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)捕獲板通過(guò) USB 3.0 接口連接至 PC。

　　圖 4：右側(cè) TSW14J56EVM 生成的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)通過(guò) JESD204B 接口饋送到左側(cè)的 DAC38RF82EVM，從而生成射頻信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

　　隨附的評(píng)估軟件包含針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用對(duì) DAC38RF82 進(jìn)行評(píng)估、測(cè)試和編程的所有內(nèi)容。

　　在使用如此高速的器件時(shí)，布局顯得尤其重要。DAC38RF82 必須位于印刷電路板的邊緣，并盡可能與所有其他元器件分開布置。設(shè)計(jì)人員必須嚴(yán)格遵守采用短射頻印制線的原則，并且最好在電源引腳和接地之間使用旁路電容。其他布局建議包括：使用帶焊墊導(dǎo)通孔并且上面的抽頭盡量短的旁路電容，以免出現(xiàn)寄生電感。此外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)使用 100Ω 差分共面波導(dǎo)作為輸出印制線。

　　結(jié)論

　　具有通用片載 DAC 的微控制器適用于生成具有合理精度的千赫級(jí)電壓和波形。為了生成精密電壓或極高速度，可以使用外部 DAC 來(lái)顯著提高應(yīng)用的精度和性能，但同時(shí)也有必要在電源和布局方面對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)行一定程度的改進(jìn)。