Как выбрать ЦАП для генерации волновых форм

Когда вы смотрите на характеристики MCU/SoC, ЦАПы не всегда выделяются как заметная особенность. Не уверен, когда ЦАП проиграл конкурс популярности своему кузену АЦП, но результат в том, что ЦАП часто приходится выбирать как отдельный компонент. Существует множество советов по выбору АЦП для различных приложений, скоростей передачи данных и полосы пропускания. В отличие от этого, большинство советов по выбору ЦАП, которые я видел, сосредоточены на воспроизведении аудио. Если вы занимаетесь проектированием в таких областях, как промышленная автоматизация, интегрированное испытательное и измерительное оборудование, программно-определяемое радио или другие специализированные аналоговые приложения, вот что следует учитывать при выборе ЦАП.

Критерии выбора ЦАП против АЦП

Процессы АЦП и ЦАП являются обратными друг другу, но оба процесса и оба типа преобразователей важны для взаимодействия между цифровым и аналоговым мирами. Хотя спецификации для каждого процесса преобразования необходимо рассматривать в правильном контексте, многие из тех же спецификаций применимы в обоих процессах. Существуют даже некоторые стандартные приемы, используемые для обеспечения низкошумного приема и воспроизведения аналоговых сигналов, которые применимы к выбору ЦАП.

Если вы хорошо разбираетесь в выборе АЦП, скорее всего, вы также хорошо разбираетесь в выборе ЦАП. Тщательное понимание теоремы Найквиста (также известной как теорема о дискретизации) является важной отправной точкой при изучении того, как выбрать ЦАП. Если вы можете думать в терминах частоты Найквиста и ее связи со скоростью передачи данных, то вы уже на правильном пути к выбору ЦАП. Давайте рассмотрим соответствующие характеристики при выборе ЦАП и то, как они влияют на производительность генерации волновых форм.

Характеристики ЦАП для генерации волновых форм

Характеристики, определяющие генерацию волновых форм, аналогичны тем, которые необходимы для АЦП. Вот некоторые важные характеристики, которые следует учитывать при выборе ЦАП для этих задач генерации волновых форм:

• Интерфейс. Вам нужно будет передать данные в ваш ЦАП для генерации аналогового сигнала. Типичные интерфейсы - это SPI для последовательного ввода, параллельный или PWM.

• Разрешение и монотонность. Разрешение определяет как уровень шума, который ЦАП может терпеть, так и точность воспроизведения аналогового сигнала. Монотонность - это связанная спецификация точности, определяющая способность ЦАП поддерживать аналоговый выход, который следует за направлением входных данных. Выходной сигнал ЦАП не должен резко увеличиваться перед тем, как начать снижаться, когда уровень входного сигнала уменьшается.

• Частота дискретизации. Все ЦАП и АЦП имеют полосу пропускания, определяемую частотой дискретизации. Частота дискретизации определяет максимальную частоту, которая может быть точно воспроизведена (частота Найквиста). Однако, импульсная последовательность, используемая в ЦАП, вводит дополнительное частотное содержание за пределы полосы пропускания, как определено частотой дискретизации. Следовательно, полоса пропускания для ЦАП не определена хорошо; я рассмотрю это более подробно ниже.

• Динамический диапазон. Все аналоговые компоненты имеют хорошо определенный динамический диапазон (измеряется в дБ). Это определяет разницу между максимальным и минимальным уровнями выходного сигнала.

Две основные характеристики, которые учитываются при выборе ЦАП для генерации волновых форм, это разрешение и частота дискретизации, поскольку они являются основой для точности восстановленного сигнала. Обратите внимание, что частоты дискретизации в более высококлассных ЦАП могут достигать нескольких ГГц. Эти характеристики затем необходимо сравнить с полосой пропускания восстановленного сигнала, чтобы обеспечить точное воспроизведение аналогового сигнала. Однако, из-за процесса восстановления сигнала, для точного восстановления сигнала требуется дополнительная схемотехника, которой нет в схемах АЦП.

Ложные изображения при генерации волновых форм ЦАП

Хотя АЦП и ЦАП выполняют обратные процессы, они не воспроизводят абсолютно идентичные волновые формы. Неточность аналогового сигнала, вносимая в процессе цифро-аналогового преобразования, показана ниже. Из-за квантования восстановленного аналогового сигнала, выходной сигнал из ЦАП имеет некоторые изображения сигнала, которые появляются на более высоких частотах, чем частота Найквиста.

На изображении выше огибающая sinc на выходе ЦАП обусловлена использованием поезда импульсов для регенерации сигнала, который имеет спектр мощности sinc. Использование поезда импульсов генерирует изображения более высокого порядка восстановленного аналогового сигнала; думайте об этих изображениях как о содержащих гармоники более высокого порядка Фурье-спектра восстановленного аналогового сигнала. Амплитуда этих изображений взвешивается огибающей sinc, как показано выше.

Передискретизация

Так же, как передискретизация распределяет шум на большую полосу пропускания и снижает общий уровень шума в АЦП, передискретизация распределяет содержание изображений на более высокую полосу пропускания, как показано выше. Другими словами, использование более высокой частоты дискретизации перемещает изображения восстановленного сигнала на более высокие частоты. Это упрощает требования к фильтрации выходного сигнала, поскольку для сглаживания можно использовать фильтр более низкого порядка.

Фильтрация

Чтобы удалить изображения, необходимо пропустить выходной аналоговый сигнал через фильтр нижних частот или полосовой фильтр с высоким спадом. Верхняя граница отсечки должна быть близка к краю желаемой полосы пропускания, чтобы подавить любые нежелательные изображения. Активные фильтры высокого порядка можно приобрести в виде интегральных схем со стандартным форм-фактором, или фильтр можно спроектировать из дискретных компонентов. Общий процесс, включающий дискретизацию и фильтрацию во время генерации волновых форм, показан ниже.

Другие компоненты для обработки аналоговых сигналов

Когда вы ищете ЦАП, вы можете найти ряд компонентов от крупных производителей. Разрешение по битам на этих компонентах обычно больше, чем используется в АЦП с аналогичными частотами дискретизации, хотя эти два компонента могли бы точно дискретизировать и воспроизводить один и тот же сигнал. Это связано с использованием дизеринга на современных АЦП для искусственной компенсации низкого разрешения и увеличения точности дискретизации при восстановлении.

Если вы работаете с системами обработки аналоговых сигналов, вам понадобится множество других важных компонентов для приема, манипуляции и восстановления сигналов. Вот некоторые другие компоненты, которые могут понадобиться для вашей системы:

• Интегральные схемы цифровой обработки сигналов (DSP)

• MCU или FPGA

• Пассивные компоненты

Изучение того, как выбрать ЦАП, является первым шагом в точной генерации волновых форм и восстановлении сигналов, и вы можете найти ряд компонентов для вашего нового продукта с помощью расширенного поиска и функций фильтрации на Octopart. Используя поисковую систему электроники Octopart, вы получите доступ к актуальным данным о ценах дистрибьюторов, инвентарю компонентов и спецификациям деталей, и все это доступно в удобном интерфейсе. Посмотрите нашу страницу с интегральными схемами ЦАП, чтобы найти необходимые компоненты.

Оставайтесь в курсе наших последних статей, подписавшись на нашу рассылку.