Como Escolher um DAC para Geração de Forma de Onda

Quando você olha para as especificações de MCU/SoC, nem sempre vê DACs listados como um recurso proeminente. Não tenho certeza de quando o DAC perdeu o concurso de popularidade para seu primo o ADC, mas o resultado é que muitas vezes um DAC tem que ser escolhido como um componente separado. Há muitos conselhos sobre a escolha de ADCs para diferentes aplicações, taxas de dados e largura de banda. Em contraste, a maioria dos conselhos sobre como escolher um DAC que eu vi foca na reprodução de áudio. Se você está projetando para campos como automação industrial, equipamentos integrados de teste e medição, rádio definido por software ou outra aplicação analógica especializada, aqui está o que você deve considerar ao selecionar um DAC.

Critérios de Seleção de DAC vs. ADC

Os processos de ADC e DAC são inversos um do outro, mas ambos os processos e ambos os tipos de conversores são importantes para a interface entre os mundos digital e analógico. Embora as especificações para cada processo de conversão precisem ser consideradas no contexto correto, muitas das mesmas especificações se aplicam em ambos os processos. Existem até alguns truques padrão que são usados para garantir a aquisição e reprodução de sinais analógicos de baixo ruído que são aplicáveis à seleção de DAC.

Se você é bom em escolher ADCs, provavelmente também é bom em escolher DACs. Um entendimento completo do teorema de Nyquist (também conhecido como teorema da amostragem) é um ponto importante para começar a aprender como escolher um DAC. Se você pode pensar em termos da frequência de Nyquist e sua relação com a taxa de dados, então você está no caminho certo para escolher um DAC. Vamos olhar para as especificações relevantes na seleção de DAC e como elas afetam o desempenho da geração de forma de onda.

Especificações de DAC para Geração de Forma de Onda

As especificações que governam a geração de forma de onda são semelhantes às necessárias para um ADC. Aqui estão algumas das especificações importantes a considerar ao selecionar um DAC para essas tarefas de geração de forma de onda:

• Interface. Você precisará inserir dados no seu DAC para gerar um sinal analógico. Interfaces típicas são SPI para entrada serial, paralela ou PWM.

• Resolução e monotonicidade. A resolução determina tanto o nível de ruído que um DAC pode tolerar quanto a precisão da reprodução do sinal analógico. Monotonicidade é uma especificação de precisão relacionada que define a capacidade do DAC de manter uma saída analógica que segue a direção dos dados de entrada. A saída do DAC não deve disparar para cima antes de tendência para baixo quando o nível de entrada diminui.

• Taxa de amostragem. Todos os DACs e ADCs têm largura de banda que é definida pela taxa de amostragem. A taxa de amostra determina a frequência máxima que pode ser reproduzida com precisão (frequência de Nyquist). No entanto, o trem de impulsos usado em um DAC introduz conteúdo de frequência adicional além da largura de banda conforme definido pela taxa de amostragem. Portanto, a largura de banda não é bem definida para um DAC; vou olhar isso com mais detalhes abaixo.

• Faixa dinâmica. Todos os componentes analógicos têm uma faixa dinâmica bem definida (medida em dB). Isso especifica a diferença entre os níveis máximo e mínimo de sinal de saída.

As duas principais especificações envolvidas na seleção de um DAC para geração de forma de onda são resolução e taxa de amostragem, pois estas são a base para a precisão do sinal reconstruído. Note que as taxas de amostra podem alcançar muitos Gsps em DACs de alta gama. Essas especificações então precisam ser comparadas com a largura de banda do sinal reconstruído para garantir a regeneração precisa de um sinal analógico. No entanto, devido ao processo de reconstrução do sinal, circuitos adicionais são necessários para a reconstrução precisa do sinal que não são encontrados em circuitos ADC.

Imagens Espúrias na Geração de Forma de Onda DAC

Embora ADCs e DACs realizem processos inversos, eles não reproduzem as mesmas formas de onda exatas. A imprecisão em um sinal analógico que é introduzida em um processo de conversão digital-para-analógico é mostrada abaixo. Devido à quantização do sinal analógico reconstruído, o sinal de saída de um DAC tem algumas imagens de sinal que aparecem em frequências mais altas do que a frequência de Nyquist. 

Na imagem acima, o envelope sinc na saída do DAC é devido ao uso de um trem de impulsos para regeneração do sinal, que possui um espectro de potência sinc. O uso de um trem de impulsos gera imagens de ordem superior do sinal analógico reconstruído; pense nessas imagens como contendo harmônicos de ordem superior do espectro de Fourier do sinal analógico reconstruído. A amplitude dessas imagens é ponderada por um envelope sinc, como mostrado acima.

Sobreamostragem

Assim como a sobreamostragem espalha o ruído por uma largura de banda maior e reduz o piso de ruído geral em um ADC, a sobreamostragem espalha o conteúdo da imagem por uma largura de banda mais alta, como mostrado acima. Em outras palavras, usar uma taxa de amostragem mais alta empurra imagens do sinal reconstruído para frequências mais altas. Isso facilita os requisitos para filtragem do sinal de saída, pois um filtro de ordem inferior pode ser usado para suavização.

Filtragem

Para remover imagens, você precisa passar o sinal analógico de saída por um filtro passa-baixa ou passa-faixa com alta inclinação. O corte de alta extremidade deve estar próximo à borda da largura de banda desejada para suprimir quaisquer imagens indesejadas. Filtros ativos de ordem superior podem ser adquiridos como ICs com formato padrão, ou um filtro pode ser projetado a partir de componentes discretos. O processo geral envolvido na amostragem e filtragem durante a geração de forma de onda é mostrado abaixo.

Outros Componentes para Processamento de Sinal Analógico

Quando você está procurando por um DAC, pode encontrar uma gama de componentes dos principais fabricantes. A resolução de bits nesses componentes tende a ser maior do que a usada em ADCs com taxas de amostra semelhantes, embora esses dois componentes possam amostrar e reproduzir o mesmo sinal com precisão. Isso se deve ao uso de dithering em ADCs modernos para compensar artificialmente a baixa resolução e aumentar a precisão da amostragem na reconstrução.

Se você está trabalhando com sistemas de processamento de sinal analógico, há muitos outros componentes importantes que você precisará para aquisição, manipulação e reconstrução de sinais. Aqui estão alguns outros componentes que você pode precisar para o seu sistema:

• Circuitos integrados de DSP

• Um MCU ou FPGA

• Componentes passivos

Aprender a escolher um DAC é o primeiro passo na geração de ondas precisas e reconstrução de sinal, e você pode encontrar uma gama de componentes para o seu novo produto com as funcionalidades avançadas de busca e filtragem no Octopart. Quando você usa o motor de busca de eletrônicos do Octopart, você terá acesso a dados atuais de preços de distribuidores, inventário de peças e especificações de peças, e tudo isso é livremente acessível em uma interface amigável. Dê uma olhada na nossa página de circuitos integrados DAC para encontrar os componentes de que precisa.

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