如何选择DAC进行波形生成

已创建：五月 20, 2022
已更新：July 1, 2024

当您查看MCU/SoC规格时，并不总是看到DAC作为一个突出的特性被列出。我不确定DAC何时在受欢迎程度上输给了它的表亲ADC，但结果是DAC经常需要作为一个单独的组件来选择。对于不同应用、数据速率和带宽选择ADC的建议很多。相比之下，我所见过的关于如何选择DAC的大多数建议都集中在音频再现上。如果您正在为工业自动化、集成测试和测量设备、软件定义无线电或其他特殊模拟应用领域设计，以下是选择DAC时应考虑的因素。

DAC与ADC选择标准

ADC和DAC过程是彼此相反的，但两种过程和两种类型的转换器对于在数字和模拟世界之间的接口都很重要。尽管每种转换过程的规格需要在正确的上下文中考虑，但许多相同的规格在两个过程中都适用。甚至有一些标准技巧被用来确保低噪声获取和再现模拟信号，这些技巧适用于DAC的选择。

如果您擅长选择ADC，您可能也擅长选择DAC。彻底理解奈奎斯特定理（也称为采样定理）是学习如何选择DAC的一个重要起点。如果您能够从奈奎斯特频率及其与数据速率的关系来考虑问题，那么您就已经在选择DAC的道路上迈出了一大步。让我们来看看DAC选择中相关的规格以及它们如何影响波形生成的性能。

DAC规格对波形生成的影响

控制波形生成的规格与ADC所需的规格相似。以下是选择DAC进行这些波形生成任务时需要考虑的一些重要规格：

接口。您需要将数据输入到DAC中以生成模拟信号。典型的接口有SPI用于串行输入、并行或PWM。
分辨率和单调性。分辨率决定了DAC可以容忍的噪声水平以及模拟信号再现的准确性。单调性是一个相关的准确性规格，定义了DAC保持模拟输出跟随输入数据方向的能力。当输入电平下降时，DAC输出不应该在趋势向下之前向上跳跃。
采样率。所有DAC和ADC都有由采样率定义的带宽。采样率决定了可以准确再现的最大频率（奈奎斯特频率）。然而，DAC中使用的脉冲列引入了额外的频率内容，超出了采样率定义的带宽。因此，DAC的带宽没有明确定义；我将在下面更详细地查看这个问题。
动态范围。所有模拟组件都有明确定义的动态范围（以dB测量）。这指定了最大和最小输出信号级别之间的差异。

在选择DAC进行波形生成时，涉及的两个主要规格是分辨率和采样率，因为这些是重构信号精度的基础。请注意，在高端DAC中，采样率可以达到多个Gsps。然后需要将这些规格与重构信号带宽进行比较，以确保准确再生模拟信号。然而，由于信号重构过程，需要额外的电路来准确重构信号，这在ADC电路中是找不到的。

DAC波形生成中的杂散图像

虽然ADC和DAC执行相反的过程，但它们不会再现完全相同的波形。在数字到模拟转换过程中引入的模拟信号的不准确性如下所示。由于重构模拟信号的量化，DAC的输出信号中存在一些在奈奎斯特频率以上的信号图像。

在上图中，DAC输出上的sinc包络是由于使用脉冲列进行信号再生，其具有sinc功率谱。使用脉冲列会产生重构模拟信号的高阶图像；可以将这些图像视为包含重构模拟信号傅里叶谱的高阶谐波。这些图像的幅度由sinc包络加权，如上所示。

过采样

就像过采样在ADC中将噪声分散到更大的带宽并降低整体噪声底的方式一样，过采样将图像内容分散到更高的带宽，如上所示。换句话说，使用更高的采样率将重构信号的图像推向更高的频率。这简化了滤波输出信号的要求，因为可以使用低阶滤波器进行平滑。

滤波

要去除图像，需要通过具有高滚降的低通或带通滤波器传递输出模拟信号。高端截止应靠近所需带宽的边缘，以抑制任何不需要的图像。高阶有源滤波器可以作为具有标准外形尺寸的IC购买，或者可以使用离散组件设计滤波器。下图显示了波形生成过程中的采样和滤波整体过程。

模拟信号处理的其他组件

当您正在寻找DAC时，可以从主要制造商那里找到一系列组件。这些组件上的位分辨率往往比具有相似采样率的ADC使用的位分辨率要大，尽管这两种组件都能准确采样并再现相同的信号。这是因为现代ADC上使用了抖动技术来人为补偿低分辨率并在重构时增加采样精度。

如果您正在处理模拟信号处理系统，那么您还需要许多其他重要组件来进行信号获取、操作和重构。以下是您的系统可能需要的一些其他组件：

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