某些 32 位微控制器配有片載數模轉換器 （DAC），用于產生頻率或電壓。對于許多應用而言，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，這些應用可能要求微控制器中沒有的專用 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，最后說明如何使用它們來生成精密模擬信號。

　　片載 DAC 的運作方式

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

　　DAC 產生的輸出電壓可以低至 0 伏，也可以高至 DAC 的模擬基準電壓。電壓與 DAC 數據寄存器中的數字值成比例關系，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 數據寄存器包含 01h，那么 DAC 輸出將相當于 1 LSB 或 0.0196 伏。如果 8 位 DAC 數據寄存器包含值 F1h （241），則理想 DAC 的輸出將是 4.7236 伏。理想情況下，若向 DAC 數據寄存器增加 01h，輸出電壓值應該增大 1 LSB。

　　當然，就像任何模擬電路一樣，不存在理想的 DAC。DAC 輸出值與數據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 還會出現線性增益誤差，該誤差以增加到理想輸出的百分比來衡量，通常在輸出電壓上增加 0.5％。

　　對于理想的 DAC，輸出值與 DAC 數據寄存器內容的關系圖將是一條直線。對于實際的 DAC，通過增加由 DAC 電路參數變化引起的線性誤差后，也會是一條直線。現實中，這條線并非真正意義上的直線，而會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)生變化產生的結果。此類非線性誤差稱為積分非線性 （INL） 誤差。對于微控制器 DAC 而言，此誤差可能是 ±4 LSB 或更高。

　　在生成頻率時，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 都需要準確的基準電壓來提供精密模擬信號。在新型微控制器上，DAC 基準電壓通常源自專用的模擬基準電壓引腳。這種在微控制器內部的模擬基準電壓會單獨與內部數字邏輯保持隔離，以最大限度減少電源紋波。然而，高速數字邏輯可能會產生一些小干擾。雖然 DAC 外設在產生正弦波時不易受電源紋波的影響，但當需要穩(wěn)定和精確的輸出電壓時，或者在生成合成語音或樂音時，這種紋波會很明顯。

　　雖然使用更高的基準電壓可以最大限度地降低電源紋波的影響，但也會阻止 DAC 產生較小電壓，同時還會將 DAC 的精度降低 1 LSB。

　　適合小信號的單芯片外部 DAC

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

　　Texas Instruments 擁有一系列外部 DAC，可針對各種設計問題生成模擬信號。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 個輸出，可通過 SPI 接口與大多數微控制器連接，時鐘速率高達 50 兆赫 （MHz）（圖 1）。

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

　　DAC80508 既可以使用外部模擬基準電壓，也可以使用 DAC 的數字電源電壓來產生自己的精度為 ±5 mV 的 2.5 伏內部基準電壓。基準電壓漂移最低為每攝氏度百萬分之二 （ppm/°C）。該漂移值可在 -40°C 至 +125°C 的溫度范圍內提供高度穩(wěn)定的基準電壓。或者，可將基準電壓除以 2，以提供具有 1.25 V 上限的模擬信號。

　　DAC80508 具有大多數微控制器 DAC 外設所不具備的精度。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字音頻信號轉換為模擬音頻。例如，該產品可用于轉換通過光纜傳輸的脈沖編碼調制 （PCM） 數字音頻，或者轉換來自存儲設備的數字音頻。在將數字音頻轉換為 16 位音頻數據后，DAC80508 可將這些數據轉換為通過普通 RCA 電纜發(fā)送的模擬音頻信號。如果將基準電壓設為 1.25 伏，則該精度足以產生線路級音頻信號。

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

　　通過 SPI 接口，利用 DAC80508 生成模擬波形非常簡單。每個發(fā)送到 DAC 數據寄存器的 SPI 命令包都是 32 位寬。每個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 位數據。任何 DAC80508 輸出通道均可以經過編程，使其在將數據寫入寄存器時立即產生輸出電壓，或者保留 DAC 數據寄存器中的所有值，直到 SPI 寫入內部廣播寄存器。若向八個廣播寄存器位位置中的任何一個寫入邏輯“1”，只會用 DAC 數據寄存器中的值更新相應的 DAC 輸出。這樣就能生成同步信號，適合為測試設備生成波形。

　　避免信號錯誤和噪聲

　　在嘈雜的工業(yè)環(huán)境中使用時，偶爾會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 受到干擾導致輸出信號錯誤，DAC80508 可以選擇在每個 SPI 數據包的末尾生成一個 8 位校驗和（圖 2）。如果校驗和有效，則寫入 DAC 數據寄存器。但如果校驗和無效，則不會寫入任何數據。也可選擇在校驗和無效時，DAC 可將 SPI SDO 引腳拉低，充當低電平有效報警引腳。微控制器固件應負責處理無效的校驗和。

　　圖 2：32 位 SPI 數據包結構。當 DAC80508 的 DAC 數據寄存器 SPI 數據包包含 8 位校驗和時，數據包首先發(fā)送 MSB，最后幾位 （7:0） 包含校驗和。校驗和由 DAC80508 自動生成。（圖片來源：Texas Instruments）

　　不管 DAC 標明多高的精度，只有使用干凈的電源才能保證準確度。DAC80508 的 VDD 必須具有低噪聲且無紋波，這一點至關重要。如果在 DC-DC 轉換器中使用 DAC80508，則必須格外小心，因為這些電源本質上非常嘈雜。對 VDD 進行濾波非常重要，因此必須在 VDD 和模擬接地之間放置一個 1 -10 微法 （μF） 電容器以及一個 0.1μF 電容器。應使用低 ESR 的陶瓷電容，并且應盡可能靠近 VDD 引腳放置。

　　模擬信號輸出端應保持在印刷電路板邊緣附近，并應與數字元器件充分隔離。這樣不僅可以防止對 DAC 模擬輸出產生干擾，還可以防止這些模擬信號干擾印刷電路板上的其他信號。

　　高速的高性能 DAC

　　有些時候，要求嚴苛的應用需要極高的性能。DAC 甚至可以生成千兆赫級別的信號。當直接模擬電路無法產生雷達所需的精度時，DAC 的這一特性對雷達設備尤為重要。針對此類應用，可以使用 Texas Instruments 的 DAC38RF82IAAV 高速射頻雙通道 DAC，在相對較小的 10 mm x 10 mm BGA 封裝內生成 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 通過低功耗、8 通道 JEDSD204B 12.5 Gb/s 接口連至主機微處理器。（圖片來源：Texas Instruments）

　　DAC38RF82 支持三種分辨率。當設為 16 位分辨率時，可生成高達 2 GHz 的射頻信號。當選擇 12 位分辨率時，可以生成 2.66 GHz 信號。最快的模式是設為 8 位分辨率時的模式，這時，DAC38RF82 可生成 4.5 GHz 的波形。當然了，這些速度均超過了任何微控制器片載 DAC 外設的能力。

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

　　該器件比 DAC80508 更加復雜。若要生成高達 4.5 GHz 的信號，需要速度極快的數據接口。DAC38RF82 使用的是 JESD204B 串行數據接口，該接口在 8 位模式下的最高速度可達 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，DAC38RF82 可以產生兩種射頻波形，而在高速 8 位模式下，僅支持一種波形。該器件需要三個電源電壓，分別是 1 伏、1.8 伏和 -1.8 伏。考慮到此器件的典型應用需求，這些電源電壓必須非常干凈且無紋波。理想情況下，DAC 的三個主要且相對獨立的部分（數字子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)和時鐘子系統(tǒng)）應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％。通過在測試期間選擇適當的 DAC 數據寄存器值，可以確保給定應用的精度。

　　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，評估板在開發(fā)過程中起到關鍵作用。DAC38RF82 由 DAC38RF82EVM 評估和開發(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 數據捕獲接口板，以生成連接到 DAC38RF82EVM 的數字信號。數據捕獲板通過 USB 3.0 接口連接至 PC。

　　圖 4：右側 TSW14J56EVM 生成的數字數據會通過 JESD204B 接口饋送到左側的 DAC38RF82EVM，從而生成射頻信號進行測試。（圖片來源：Texas Instruments）

　　隨附的評估軟件包含針對目標應用對 DAC38RF82 進行評估、測試和編程的所有內容。

　　在使用如此高速的器件時，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。設計人員必須嚴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：使用帶焊墊導通孔并且上面的抽頭盡量短的旁路電容，以免出現寄生電感。此外，設計人員應使用 100Ω 差分共面波導作為輸出印制線。

　　結論

　　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 來顯著提高應用的精度和性能，但同時也有必要在電源和布局方面對設計實踐進行一定程度的改進。