如何選擇用于波形生成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)?

如何選擇用于波形生成的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)？  當(dāng)你查看 MCU/SoC 規(guī)格時(shí)，你并不總是將 DAC 列為突出特性。我不確定 DAC 何時(shí)輸給了ADC，但結(jié)果是通常必須選擇 DAC 作為單獨(dú)的組件。對(duì)于為不同的應(yīng)用、數(shù)據(jù)速率和帶寬選擇 ADC，有很多建議。相比之下，關(guān)于如何選擇 DAC 的大多數(shù)建議都集中在音頻再現(xiàn)上。如果你正在為工業(yè)自動(dòng)化、集成測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、軟件定義無(wú)線(xiàn)電或其他專(zhuān)業(yè)模擬應(yīng)用等領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)計(jì)，那么在選擇 DAC 時(shí)應(yīng)考慮以下因素。

DAC 與 ADC 選擇標(biāo)準(zhǔn)

ADC 和 DAC 過(guò)程彼此相反，但是這兩種過(guò)程和兩種類(lèi)型的轉(zhuǎn)換器對(duì)于數(shù)字和模擬世界之間的接口都很重要。盡管需要在正確的上下文中考慮每個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程的規(guī)范，但許多相同的規(guī)范適用于兩個(gè)過(guò)程。甚至還有一些標(biāo)準(zhǔn)技巧可用于確保模擬信號(hào)的低噪聲采集和再現(xiàn)，這些技巧適用于 DAC 選擇。

如果你擅長(zhǎng)選擇 ADC，那么你可能也擅長(zhǎng)選擇 DAC。全面了解奈奎斯特定理（也稱(chēng)為采樣定理）是學(xué)習(xí)如何選擇 DAC 的重要起點(diǎn)。如果你可以根據(jù)奈奎斯特頻率及其與數(shù)據(jù)速率的關(guān)系來(lái)思考問(wèn)題，那么你就可以很好地選擇 DAC。讓我們看看 DAC 選擇中的相關(guān)規(guī)格以及它們?nèi)绾斡绊懖ㄐ紊傻男阅堋?

波形生成的 DAC 規(guī)范

控制波形生成的規(guī)范與 ADC 所需的規(guī)范相似。以下是為這些波形生成任務(wù)選擇 DAC 時(shí)需要考慮的一些重要規(guī)格。

界面：你需要將數(shù)據(jù)輸入 DAC 以生成模擬信號(hào)。典型的接口是用于串行輸入、并行或 PWM 的 SPI。

分辨率和單調(diào)性。分辨率決定了 DAC 可以容忍的噪聲水平和模擬信號(hào)再現(xiàn)的準(zhǔn)確性。單調(diào)性是一個(gè)相關(guān)的精度規(guī)范，它定義了 DAC 保持模擬輸出遵循輸入數(shù)據(jù)方向的能力。當(dāng)輸入電平下降時(shí)，DAC 輸出在呈下降趨勢(shì)之前不應(yīng)上升。

采樣率：所有 DAC 和 ADC 都具有由采樣率定義的帶寬。采樣率決定了可以準(zhǔn)確再現(xiàn)的最大頻率（奈奎斯特頻率）。但是，DAC 中使用的脈沖序列會(huì)引入超出采樣率定義的帶寬的額外頻率內(nèi)容。因此，DAC 的帶寬沒(méi)有明確定義；我將在下面更詳細(xì)地介紹這一點(diǎn)。

動(dòng)態(tài)范圍：所有模擬組件都具有明確定義的動(dòng)態(tài)范圍（以 dB 為單位）。這指定了最大和最小輸出信號(hào)電平之間的差異。

選擇用于波形生成的 DAC 時(shí)涉及的兩個(gè)主要規(guī)格是分辨率和采樣率，因?yàn)樗鼈兪侵亟ㄐ盘?hào)精度的基礎(chǔ)。請(qǐng)注意，在高端 DAC 中，采樣率可以達(dá)到許多 Gsps。然后需要將這些規(guī)范與重建的信號(hào)帶寬進(jìn)行比較，以確保模擬信號(hào)的準(zhǔn)確再生。然而，由于信號(hào)重建過(guò)程，需要額外的電路來(lái)進(jìn)行準(zhǔn)確的信號(hào)重建，而這在 ADC 電路中是沒(méi)有的。

DAC 波形生成中的雜散圖像

雖然 ADC 和 DAC 執(zhí)行逆過(guò)程，但它們不會(huì)重現(xiàn)完全相同的波形。在數(shù)模轉(zhuǎn)換過(guò)程中引入的模擬信號(hào)的不準(zhǔn)確性如下所示。由于重構(gòu)模擬信號(hào)的量化，來(lái)自 DAC 的輸出信號(hào)具有一些出現(xiàn)在比奈奎斯特頻率更高的頻率上的信號(hào)圖像。

在上圖中，DAC 輸出上的 sinc 包絡(luò)是由于使用脈沖串進(jìn)行信號(hào)再生，它具有 sinc 功率譜。使用脈沖序列生成重建模擬信號(hào)的高階圖像；將這些圖像視為包含重建模擬信號(hào)傅里葉頻譜的高階諧波。這些圖像的幅度由正弦包絡(luò)加權(quán)，如上所示。

過(guò)采樣

就像過(guò)采樣將噪聲散布到更大的帶寬并降低 ADC 中的整體本底噪聲一樣，過(guò)采樣將圖像內(nèi)容散布到更高的帶寬上，如上所示。換句話(huà)說(shuō)，使用更高的采樣率將重建信號(hào)的圖像推到更高的頻率。這簡(jiǎn)化了對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行濾波的要求，因?yàn)榈碗A濾波器可用于平滑。

過(guò)濾

要去除圖像，你需要將輸出模擬信號(hào)通過(guò)具有高滾降的低通或帶通濾波器。高端截止應(yīng)接近所需帶寬的邊緣，以抑制任何不需要的圖像。高階有源濾波器可以作為具有標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸的 IC 購(gòu)買(mǎi)，或者可以用分立元件設(shè)計(jì)濾波器。波形生成過(guò)程中涉及的采樣和濾波的整個(gè)過(guò)程如下所示。

用于模擬信號(hào)處理的其他組件

當(dāng)你在尋找 DAC 時(shí)，你可以找到來(lái)自主要制造商的一系列組件。這些組件的位分辨率往往大于具有相似采樣率的 ADC 中使用的位分辨率，即使這兩個(gè)組件可以準(zhǔn)確地采樣和再現(xiàn)相同的信號(hào)。這是由于在現(xiàn)代 ADC 上使用抖動(dòng)來(lái)人為地補(bǔ)償?shù)头直媛什⑻岣咧亟〞r(shí)的采樣精度。

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