Cómo elegir un DAC para la generación de formas de onda

Cuando miras las especificaciones de MCU/SoC, no siempre ves los DACs listados como una característica destacada. No estoy seguro de cuándo el DAC perdió el concurso de popularidad frente a su primo el ADC, pero el resultado es que a menudo se tiene que elegir un DAC como un componente separado. Hay muchos consejos sobre cómo elegir ADCs para diferentes aplicaciones, tasas de datos y ancho de banda. En contraste, la mayoría de los consejos sobre cómo elegir un DAC que he visto se centran en la reproducción de audio. Si estás diseñando para campos como la automatización industrial, equipos integrados de prueba y medición, radio definida por software u otra aplicación analógica especializada, aquí tienes lo que debes considerar al seleccionar un DAC.

Criterios de Selección de DAC vs. ADC

Los procesos de ADC y DAC son inversos entre sí, pero ambos procesos y ambos tipos de convertidores son importantes para la interfaz entre los mundos digital y analógico. Aunque las especificaciones para cada proceso de conversión deben considerarse en el contexto correcto, muchas de las mismas especificaciones se aplican en ambos procesos. Incluso hay algunos trucos estándar que se utilizan para asegurar la adquisición y reproducción de señales analógicas con bajo ruido que son aplicables a la selección de DAC.

Si eres bueno eligiendo ADCs, probablemente también seas bueno eligiendo DACs. Un entendimiento profundo del teorema de Nyquist (también conocido como el teorema de muestreo) es un buen punto de partida cuando aprendes cómo elegir un DAC. Si puedes pensar en términos de la frecuencia de Nyquist y su relación con la tasa de datos, entonces estás bien encaminado para elegir un DAC. Veamos las especificaciones relevantes en la selección de DAC y cómo afectan el rendimiento de la generación de ondas.

Especificaciones de DAC para la Generación de Ondas

Las especificaciones que rigen la generación de ondas son similares a las necesarias para un ADC. Aquí hay algunas de las especificaciones importantes a considerar al seleccionar un DAC para estas tareas de generación de ondas:

• Interfaz. Necesitarás introducir datos en tu DAC para generar una señal analógica. Las interfaces típicas son SPI para entrada serial, paralela o PWM.

• Resolución y monotonicidad. La resolución determina tanto el nivel de ruido que un DAC puede tolerar como la precisión de la reproducción de la señal analógica. La monotonicidad es una especificación de precisión relacionada que define la capacidad del DAC para mantener una salida analógica que sigue la dirección de los datos de entrada. La salida del DAC no debería dispararse hacia arriba antes de tender hacia abajo cuando el nivel de entrada disminuye.

• Tasa de muestreo. Todos los DACs y ADCs tienen un ancho de banda que está definido por la tasa de muestreo. La tasa de muestra determina la frecuencia máxima que puede ser reproducida con precisión (frecuencia de Nyquist). Sin embargo, el tren de impulsos utilizado en un DAC introduce contenido de frecuencia adicional más allá del ancho de banda tal como está definido por la tasa de muestreo. Por lo tanto, el ancho de banda no está bien definido para un DAC; examinaré esto con más detalle a continuación.

• Rango dinámico. Todos los componentes analógicos tienen un rango dinámico bien definido (medido en dB). Esto especifica la diferencia entre los niveles máximos y mínimos de señal de salida.

Las dos especificaciones principales involucradas en la selección de un DAC para la generación de formas de onda son la resolución y la tasa de muestreo, ya que estas son la base para la precisión de la señal reconstruida. Cabe destacar que las tasas de muestreo pueden alcanzar muchos Gsps en DAC de gama alta. Estas especificaciones luego necesitan ser comparadas con el ancho de banda de la señal reconstruida para asegurar una regeneración precisa de una señal analógica. Sin embargo, debido al proceso de reconstrucción de la señal, se necesita circuitos adicionales para una reconstrucción precisa de la señal que no se encuentran en los circuitos ADC.

Imágenes Espurias en la Generación de Formas de Onda DAC

Aunque los ADCs y los DACs realizan procesos inversos, no reproducen exactamente las mismas formas de onda. La inexactitud en una señal analógica que se introduce en un proceso de conversión digital a analógico se muestra a continuación. Debido a la cuantificación de la señal analógica reconstruida, la señal de salida de un DAC tiene algunas imágenes de señal que aparecen en frecuencias más altas que la frecuencia de Nyquist. 

En la imagen anterior, la envolvente sinc en la salida del DAC se debe al uso de un tren de impulsos para la regeneración de la señal, que tiene un espectro de potencia sinc. El uso de un tren de impulsos genera imágenes de orden superior de la señal analógica reconstruida; piense en estas imágenes como conteniendo armónicos de orden superior del espectro de Fourier de la señal analógica reconstruida. La amplitud de estas imágenes está ponderada por una envolvente sinc, como se muestra arriba.

Sobremuestreo

Así como el sobremuestreo dispersa el ruido sobre un ancho de banda más grande y reduce el piso de ruido general en un ADC, el sobremuestreo dispersa el contenido de la imagen sobre un ancho de banda más alto, como se muestra arriba. En otras palabras, usar una tasa de muestreo más alta empuja las imágenes de la señal reconstruida a frecuencias más altas. Esto facilita los requisitos para filtrar la señal de salida ya que se puede usar un filtro de orden inferior para suavizar.

Filtrado

Para eliminar imágenes, necesita pasar la señal analógica de salida a través de un filtro de paso bajo o de banda con alta pendiente de corte. El corte de alta frecuencia debería estar cerca del borde del ancho de banda deseado para suprimir cualquier imagen no deseada. Filtros activos de orden superior se pueden comprar como ICs con factor de forma estándar, o se puede diseñar un filtro a partir de componentes discretos. El proceso general involucrado en el muestreo y filtrado durante la generación de formas de onda se muestra a continuación.

Otros Componentes para el Procesamiento de Señales Analógicas

Cuando está buscando un DAC, puede encontrar una gama de componentes de los principales fabricantes. La resolución de bits en estos componentes tiende a ser mayor que la utilizada en ADCs con tasas de muestreo similares, aunque estos dos componentes podrían muestrear y reproducir la misma señal con precisión. Esto se debe al uso de dithering en los ADCs modernos para compensar artificialmente la baja resolución y aumentar la precisión del muestreo al reconstruir.

Si estás trabajando con sistemas de procesamiento de señales analógicas, hay muchos otros componentes importantes que necesitarás para la adquisición, manipulación y reconstrucción de señales. Aquí hay algunos otros componentes que podrías necesitar para tu sistema:

• Circuitos integrados de DSP

• Un MCU o FPGA

• Componentes pasivos

Aprender cómo elegir un DAC es el primer paso en la generación de ondas precisas y la reconstrucción de señales, y puedes encontrar una gama de componentes para tu nuevo producto con las características avanzadas de búsqueda y filtrado en Octopart. Cuando usas el motor de búsqueda de electrónica de Octopart, tendrás acceso a datos actuales de precios de distribuidores, inventario de partes y especificaciones de partes, y todo está libremente accesible en una interfaz amigable para el usuario. Echa un vistazo a nuestra página de circuitos integrados DAC para encontrar los componentes que necesitas.

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