Veta när och hur du väljer och tillämpar en extern DAC för en mikrokontroller

Vissa 32-bitars mikrokontroller har digital-till-analog-omvandlare (DAC) på kretsen för frekvens- eller spänningsgenerering. För många tillämpningar ger det ytterligare funktioner samtidigt som det sparar utrymme på kortet. Dock kan tillämpningarna kräva specialiserad DAC-funktion som inte fins i mikrostyrenheterna.

Den här artikeln går igenom förmågor och begränsningar hos en mikrostyrenhets-DAC på kretsen. Därefter introduceras exempel på externa DAC-lösningar med hög precision och hur de kan användas för att generera analoga signaler med precision.

DAC-drift på kretsen

För att konstruktörerna ska kunna generera anpassade analoga signaler har mikrostyrenhetstillverkarna börjat inkludera DAC-kringutrustning på kretsen. Dessa kan användas för att generera precisionsspänningar samt anpassade vågformer inklusive sinusvågor och trekantsvågor. DAC-enheter kan även användas för röstsyntes.

En DAC genererar en utgångsspänning som är så låg som 0 volt och så hög som den analoga referensspänningen för DAC. Spänningen är proportionell mot det digitala värdet i DAC-dataregistret med en precision som baseras på DAC-upplösningen. Om DAC-upplösningen till exempel är 8 bitar och referensspänningen är 5 volt är precisionen för 1 LSB hos DAC är 5/255 = 0,0196 volt. Så om 8-bitars DAC-dataregistret innehöll 01h skulle DAC-utsignalen idealiskt motsvara 1 LSB, eller 0,0196 volt. Om 8-bitars DAC-dataregistret innehåller värdet F1h (241) ska utsignalen från en idealisk DAC vara 4,7236 volt. Att lägga till 01h till DAC-dataregistret ska idealiskt öka värdet hos utgångsspänningen med 1 LSB.

Givetvis är ingen DAC idealisk, precis som alla andra analoga kretsar. Variationen i DAC-utsignalen från det idealiska värdet för dataregistret kallas DNL-fel (differential-icke-linjäritetsfel) och mäts i LSB. Till exempel kan en typisk mikrostyrenhets-DAC specificera ett DNL på ±2 LSB.

DAC:er kan också uppleva linjära förstärkningsfel, som mäts som en procentandel som läggs till den idealiska utsignalen, vilket ofta ökar utspänningen med ytterligare 0,5 %.

För en idealisk DAC skulle en jämförelsekurva av de utgående värdena jämfört med DAC-dataregistrets innehåll bli en rak linje. Att lägga till de linjära felen som orsakas av variationer i DAC-kretsens parametrar för en verklig DAC skulle också ge en rak linje. I verkligheten skulle linjen avvika från den raka linjen och böjas utåt för att bilda en icke-linjär kurva. Den här icke-linjäriteten är också resultatet av variationer i DAC-kretsen via spänning och temperatur. Det här icke-linjära felet kallas IRL-fel (integralt icke-linjärt fel). För mikrostyrenhets-DAC-enheter kan detta vara ±4 LSB eller högre.

Vid frekvensgenerering begränsas den snabbaste utgångsfrekvensen för en mikrostyrenhets-DAC till mikrostyrenhetens CPU-frekvens.

Alla DAC-enheter kräver en exakt referensspänning för att tillhandahålla en analog precisionssignal. På moderna mikrostyrenheter kommer DAC-referensspänningen normalt från ett dedikerat analogt referensspänningsstift. Inne i mikrostyrenheten hålls den här analoga referensspänningen separerad och isolerad från den interna digitala logiken för att minimera strömtillförselrippel. Dock kan vissa små störningar från den digitala höghastighetslogiken förväntas. DAC-kringutrustning är inte lika känslig för strömtillförselrippel när sinusvågor genereras. Den här rippeln kan noteras när stabil och precis utgångsspänning krävs eller när röstsyntes eller en ton genereras.

Trots att användning av högre referensspänning kan minimera effekten hos strömförsörjningsrippeln skulle det också hindra DAC från att generera lägre spänningar samtidigt som precisionen hos DAC minskas i 1 LSB.

Externa DAC-enheter med ett chip för mindre signaler

DAC-kringutrustningen på de flesta mikrostyrenheter kan ge tillräcklig precision för vanliga tillämpningar. Det finns dock situationer där extremt hö precision och/eller hög hastighet krävs. Det är då en extern DAC blir en praktisk nödvändighet.

Texas Instruments har ett sortiment av externa DAC-enheter som kan generera analoga signaler för alla designproblem. Om det till exempel är trångt på kortet finns DAC80508MYZFT 16-bitars DAC som är extremt liten med bara 2,4 x 2,4 mm i ett DSBGA-paket. Denna DAC har åtta utgångar och kan kopplas till de flesta mikrostyrenheter med ett SPI-gränssnitt med klockfrekvens upp till 50 megahertz (MHz) (figur 1).

Figur 1: DAC80508 kan kopplas till de flesta mikrostyrenheter med ett SPI-gränssnitt och har åtta identiska analoga utgångskanaler. (Bildkälla: Texas Instruments)

DAC80508 kan använda en extern analog spänningsreferens eller använda DAC:s digitala strömförsörjningsspänning för att generera sin egen interna referensspänning på 2,5 volt med en precision på ±5 mV. Referensspänningsdriften är minimala 2 delar per miljon per grad Celsius (ppm/°C). Det ger en mycket stabil referensspänning över dess temperaturområde på -40 °C till +125 °C. Referensspänningen kan även delas med 2 för att tillhandahålla analoga signaler med ett tak på 1,25 volt.

DAC80508 har en precision som normalt inte finns i mikrostyrenhets-DAC-kringutrustning. INL och DNL är båda typiskt ±0,5 LSB, maximalt ±1 LSB. Förstärkningsfelet är typiskt ±0,5 %, maximalt ±1 %. Med 16-bitars upplösning är precisionsnivån perfekt för att omvandla digitala ljudsignaler till analogt ljud. Till exempel kan det användas för att omvandla pulskodsmodulerat (PCM) digitalt ljud som sänds via fiberoptiska kablar eller omvandlar digitalt ljud från en lagringsenhet. Efter att ha omvandlat det digitala ljudet till 16-bitars ljuddata kan DAC80508 omvandla data till analoga ljudsignaler som skickas via vanliga RCA-kablar. Om referensspänningen är inställd på 1,25 volt är det mer än tillräcklig precision för att generera ljudsignaler med signalnivå.

DAC80508 har även en utgångsförstärkare som kan multiplicera utgångsspänningen med två och generera en utgångsspänning som är två gånger referensspänningen.

Det är enkelt att generera analoga vågformer med DAC80508 via SPI-gränssnittet. Varje SPI-kommandopaket som skickas till ett DAC-dataregister är 32 bitar stort. Varje paket innehåller kanaladressen som det ska skrivas till tillsammans med 16-bitarsdata som ska skrivas till registret. Alla DAC80508-utgångskanaler kan programmeras för att antingen generera utgångsspänningen omedelbart när du har skrivit data till registret eller så kan det innehålla alla värden i DAC-dataregistren tills SPI skriver till ett internt sändningsregister. Att skriva en logisk "1" till någon av de åtta sända registerbitpositionerna uppdaterar endast den aktuella DAC-utgången med värdet i dess DAC-dataregister. Detta gör det möjligt att generera synkrona signaler so mär användbara för att generera vågformer för testutrustning.

Undvika signalfel och brus

Vid användning i bullriga industrimiljöer kan tillfälliga störningar vara oundvikliga, särskilt om höga spänningar förekommer. För att hindra utsignalfel som ett resultat av störningarna på SPI kan DAC80508 även generera en 8-bitars kontrollsumma i slutet av varje SPI-paket (figur 2). Om kontrollsumman är giltig skrivs DAC-dataregistret. Men om kontrollsumman misslyckas skrivs inga data. Vid en misslyckad kontrollsumma kan DAC dessutom dra SPI SDO stiftet till lågt läge så att det fungerar som ett aktivt låglarmstift. Mikrostyrenhetens fasta programvara ansvarar för att verka på den misslyckade kontrollsumman.

Figur 2: Struktur hos 32-bitars-SPI-paketet. När DAC-dataregistrets SPI-paket för DAC80508 innehåller en kontrollsumma på 8 bitar skickas paketet MSB först, där de senaste bitarna (7:0) innehåller kontrollsumman. Kontrollsumman genereras automatiskt av DAC80508. (Bildkälla: Texas Instruments)

Oavsett den angivna precisionen hos DAC kan precisionen endast säkerställas genom att använda ren strömförsörjning. Det är kritiskt att V_DD för DAC80508 har lågt brus utan rippel. Om DAC80508 används i en DC-DC-omvandlare måste du vara extra försiktig eftersom dessa strömförsörjningar har naturligt högt brus. Det är viktigt att filtrera på V_DD, så en kondensator på 1 mikrofarad (µF) till 10 µF och en kondensator på 0,1 µF måste placeras mellan V_DD och analog jord. Keramiska kondensatorer med låg ESR ska användas och placeras så nära V_DD-stiftet som möjligt.

De analoga signalutsignalerna ska hållas nära kanterna på kretskortet och isoleras noga från de digitala komponenterna. Detta hindrar inte bara störningar på DAC:ens analoga utgångar utan hindrar även dessa analoga signaler att störa övriga signaler på kretskortet.

Höghastighets, högprestations-DAC

Ibland kräver en icke-kompromissande tillämpning extremt höga prestanda. DAC:er kan till och med generera signaler i gigahertzområdet. Detta kan vara extra viktigt för radarutrustning när vanliga analoga kretsar inte kan skapa den precision som krävs för radar. För sådana tillämpningar kan Texas Instruments DAC38RF82IAAV höghastighets-DAC med dubbla kanaler användas för att generera vågformer över 1 gigahertz (GHz) i ett relativt litet 10 mm x 10 mm BGA-paket (figur 3).

Figur 3: DAC38RF82 är en DAC med ultrahöga prestanda som kan generera vågformer över 1 GHz. Den är kopplad till en värdmikroprocessor med ett JEDSD204B 12,5 Gbit/s-gränssnitt med åtta banor med låg effekt. (Bildkälla: Texas Instruments)

DAC38RF82 har stöd för tre upplösningar. När den har ställts in på 16-bitars upplösning kan den generera RF-signaler på upp till 2 GHz. När upplösning på 12 bitar väljs kan den generera 2,66 GHz-signaler. Det snabbaste läget är när den är inställs på 8 bitars upplösning när den kan generera vågformer på 4,5 GHz. Dessa hastigheter överskrider kapaciteten hos mikrostyrenhets-DAC-kringutrustning på kortet.

DAC38RF82 har tillräcklig prestanda för att använda i basbandsändare som mobilmaster och kan även användas för anpassad vågformsgenerering för tillämpningar som testutrustning med hög kvalitet. DAC38RF82 kan också användas för radarsignalgenerering för självkörande fordon.

Den här enheten är mer komplex än DAC80508. Att generera signaler upp till 4,5 GHz kräver ett mycket snabbt datagränssnitt. DAC38RF82 använder ett seriellt JESD204B-datagränssnitt som i 8-bitarsläge är lika snabbt som 9 Gbit/s. Vid dessa gränssnittshastigheter kopplas enheten till en FPGA eller en ASIC.

Vid användning i 12-bitars- eller 16-bitarsläge kan DAC38RF82 generera två RF-vågformer. I höghastighets-8-bitarsläge stöds endast en vågform. Det kräver tre tillförselspänningar, 1 volt, 1,8 volt och -1,8 volt. Med tanke på enhetens typiska tillämpningar måste dessa tillförselspänningar vara mycket rena och rippelfria. Idealiskt ska var och en av DAC:ens tre viktigaste och inbördes oberoende delar – det digitala delsystemet, det analoga delsystem och klockdelsystemet – ha sin egen avskilda strömförsörjning för att undvika eventuella oavsiktliga interaktioner.

DAC:ens DNL är normalt ±3 LSB, dess INL är normalt ±4 LSB med ett typiskt förstärkningsfel på ±2 %. Precisionen i en given tillämpning kan säkerställas genom att välja rätt DAC-dataregistervärden under test.

Snabb start på DAC38RF82-utvecklingen

När så höga frekvenser genereras med tillräcklig precision är ett utvärderingskort en väsentlig del av utvecklingsprocessen. DAC38RF82 stöds av DAC38RF82EVM utvärderings- och utvecklingskort som stöder alla funktioner i denna högkvalitets-DAC. Det krävs ett TSW14J56EVM-gränssnittskort för datainsamling för att generera de digitala signaler som kopplas till DAC38RF82EVM. Datainsamlingskortet kopplas till ett kretskort med ett USB 3.0-gränssnitt.

Figur 4: DAC38RF82EVM till vänster matas med digitala data via ett JESD204B-gränssnitt som genereras av TSW14J56EVM till höger och genererar RF-signaler för test. (Bildkälla: Texas Instruments)

Den medföljande utvärderingsprogramvaran innehåller allt för att utvärdera, testa och programmera DAC38RF82 för måltillämpningen.

När en sådan höghastighetsenhet används är layouten särskilt viktig. DAC38RF82 ska sitta på kanten av kretskortet och skiljas från alla andra komponenter så mycket som möjligt. Korta RF-banor och förbikopplingskondensatorer mellan matningsstiften och jord måste följas strikt. Andra layoutrekommendationer inkluderar användning av förbikopplingskondensatorer med kopplingar på plattan, med minimala stubbar på dessa kondensatorer för att undvika parasitisk induktans. Konstruktörerna ska dessutom använda en differentiell 100 Ω koplanär vågguide för utgångsbanorna.

Slutsatser

Mikrostyrenheter med allmänna DAC:er på kortet är lämpliga för att generera någorlunda exakt spänning och vågformer i kilohertzområdet. För precisionsspänning eller generering av mycket hög hastighet kan externa DAC:er användas för att förbättra tillämpningen precision och prestanda avsevärt, men designrutinerna för strömförsörjning och layout måste också uppgraderas.