瞭解何時以及如何為微控制器選擇並應用外部 DAC

有些 32 位元微控制器透過晶片上數位類比轉換器 (DAC) 來產生頻率或電壓。對於許多應用來說，這麼做不僅能提供額外的功能，而且還能節省電路板空間。但是，這些應用可能需要使用微控制器裡沒有的特殊 DAC 功能。

本文將討論微控制器晶片上 DAC 的功能與限制，然後會介紹高精度外部 DAC 解決方案範例，並展示如何使用這類方案產生高精度的類比訊號。

晶片上 DAC 的運作

為了能讓設計人員產生客製化類比訊號，微控制器製造商已開始在晶片上納入 DAC 週邊裝置。這些裝置可用於產生精確的電壓，以及客製化波形，如正弦波和三角波等。此外，DAC 也可用於語音合成。

DAC 產生的輸出電壓最低為 0 V，最高為 DAC 類比參考電壓。電壓與 DAC 數據暫存器裡的數位值呈正比，精度則取決於 DAC 的解析度。例如，若 DAC 的解析度為 8 位元，且參考電壓為 5 V，則 DAC 的 1 LSB 精度為 5/255 = 0.0196 V。因此在理想情況下，若 8 位元 DAC 數據暫存器的值為 01h，則 DAC 輸出便相當於 1 LSB，即 0.0196 V。若 8 位元 DAC 數據暫存器的值為 F1h (241)，則理想 DAC 的輸出應為 4.7236 V。理想情況下，將 DAC 數據暫存器加上 01h，輸出電壓值也應增加 1 LSB。

當然，就像任何的類比電路，沒有所謂的理想 DAC。DAC 輸出與數據暫存器理想值的差異稱為微分非線性 (DNL) 誤差且以 LSB 為測量單位。例如，典型微控制器 DAC 的 DNL 可能為 ±2 LSB。

此外，DAC 也可能有線性增益誤差，其測量值則是理想輸出加上百分比值，通常是在輸出電壓上增加 0.5%。

對於理想的 DAC，輸出值與 DAC 數據暫存器內容的關係圖應是一條直線。對於實際的 DAC，增加 DAC 電路參數變化所造成的線性誤差後，其結果也應是一條直線。實際上，這條線會從直線偏離並向外彎曲，形成一條非線性曲線。這種非線性也是 DAC 電路在電壓和溫度上變化的結果。這種非線性誤差稱為積分非線性 (IRL) 誤差。對於微控制器 DAC 而言，此誤差可能為 ±4 LSB 或更高。

在產生頻率時，微控制器 DAC 的最快輸出頻率將受限於微控制器的 CPU 頻率。

所有的 DAC 都需要準確的參考電壓，才能提供高精度的類比訊號。在現代控制器上，DAC 參考電壓通常來自專用的類比參考電壓引腳。這種在微控制器內部的類比參考電壓會單獨保存，並與內部數位邏輯隔離，可將電源供應器漣波降至最低，不過，高速數位邏輯難免會帶來一些小干擾。雖然 DAC 周邊裝置在產生正弦波時不易受到電源供應器漣波的影響，但在需要穩定精確的輸出電壓，或是產生合成聲音或音樂時，這種漣波還是值得注意的。

雖然使用較高的參考電壓可將電源供應器漣波的影響降到最低，但這麼做也會阻止 DAC 產生較低的電壓，同時還會將 DAC 的精度降低 1 LSB。

適用於小訊號的單晶片外部 DAC

大部份微控制器上的 DAC 周邊裝置都能為常見應用提供足夠的精度。但是，有些應用還是需要極高的精度和／或速度。在這種情況下，就有必要使用外部 DAC 了。

Texas Instruments 推出了一系列外部 DAC，能夠針對任何設計問題產生類比訊號。例如，若電路板空間捉襟見肘， DAC80508MYZFT 16 位元 DAC 的尺寸極小，其 DSBGA 封裝僅為 2.4 x 2.4 mm。這款 DAC 具有八個輸出，可使用 SPI 介面連接至大多數微控制器，時脈速率高達 50 Mhz (圖 1)。

圖 1：DAC80508 可使用 SPI 介面連接至大多數微控制器，並且具有八個完全一樣的類比輸出通道。(圖片來源：Texas Instruments)

DAC80508 可使用外部類比電壓參考值或 DAC 的數位電源電壓，產生自己的內部參考電壓 (2.5 V，精度為 ±5 mV)。參考電壓漂移量最低為 2 ppm/°C，可在 -40°C 到 +125°C 的溫度範圍內提供相當穩定的參考電壓；也可選擇將參考電壓除以 2，提供最高為 1.25 V 的類比訊號。

DAC80508 具有大多數微控制器 DAC 周邊裝置所沒有的精度。INL 與 DNL 典型值均為 ±0.5 LSB，最大值為 ±1 LSB。增益誤差典型值為 ±0.5%，最大值為 ±1%。在 16 位元的解析度下，這樣的精度水準非常適合將數位音訊訊號轉換為類比音訊。例如，它可用來轉換經由光纖纜線傳輸的脈衝編碼調變 (PCM) 數位音訊，或者轉換來自儲存裝置的數位音訊。在將數位音訊轉換為 16 位元音訊數據後，DAC80508 可將數據轉換為經由通用 RCA 纜線傳輸的類比音訊訊號。如果參考電壓設為 1.25 V，其精度足以產生線路位準音訊訊號。

此外，DAC80508 還配有輸出增益放大器，可將輸出電壓放大兩倍，產生比參考電壓高兩倍的輸出電壓。

透過 SPI 介面使用 DAC80508 產生類比波形相當簡單。每個發送給 DAC 資料暫存器的 SPI 命令封包均為 32 位元。每個封包都包含要寫入的通道位址，以及要寫至暫存器的 16 位元數據。任何 DAC80508 輸出通道均可編程為兩種方式：在將數據寫入暫存器後立即產生輸出電壓；或者保留 DAC 數據暫存器內的所有值，直到 SPI 寫入內部廣播暫存器。向八個廣播暫存器位元的任一個位置寫入邏輯「1」，僅會以其 DAC 數據暫存器內的數值更新該 DAC 輸出。這可產生同步訊號，非常適合為測試設備產生波形。

避免訊號錯誤與雜訊

在嘈雜的工業環境中使用時，偶爾的干擾可能是無法避免的，尤其在有高電壓時更是如此。為避免因 SPI 受到干擾而產生輸出訊號錯誤，DAC80508 可以選擇在每個 SPI 封包的結尾處產生一個 8 位元的核對和 (圖 2)。若核對和有效，則寫入 DAC 數據暫存器。若核對和失敗，則不寫入任何數據。或者在核對和失敗時，DAC 可以將 SPI SDO 引腳拉低，充當低態動作警告引腳。微控制器韌體則負責在核對和失敗時採取動作。

圖 2：32 位元 SPI 封包的結構。當 DAC80508 的 DAC 數據暫存器 SPI 封包包含 8 位元核對和時，封包會先發送 MSB，而最後的幾個位元 (7:0) 則包含核對和。核對和將由 DAC80508 自動產生。(圖片來源：Texas Instruments)

無論 DAC 的指定精度是多少，只有使用雜訊小的電源供應器才能確保精確度。DAC80508 的 V_DD 必須是低雜訊而且無漣波。如果在 DC-DC 轉換器中使用 DAC80508，則必須格外小心，因為這些電源供應器在本質上充滿了雜訊。對 V_DD 進行濾波非常重要，因此必須在 V_DD 以及類比接地之間放置一個 1 µF 到 10 µF 的電容，以及一個 0.1 µF 的電容。應使用低 ESR 的陶瓷電容，同時應將其盡可能放在靠近 V_DD 引腳的位置。

類比訊號輸出應保持在電路板邊緣附近，並與數位元件充份隔離。這不僅可以防止對 DAC 類比輸出產生干擾，還可以防止這些類比訊號干擾 PC 電路板上的其他訊號。

高速的高效能 DAC

有時，要求嚴苛的應用需要極高的效能。DAC 甚至可以產生 GHz 範圍內的訊號。這對雷達設備來說格外重要，因為單純的類比電路無法產生雷達所需的精度。對於此類應用，可使用 Texas Instruments 的 DAC38RF82IAAV 高速 RF 雙通道 DAC 在相對較小的 10 mm x 10 mm BGA 封裝內產生 1 GHz 以上的波形 (圖 3)。

圖 3：DAC38RF82 是一款超高效能 DAC，可產生超過 1 GHz 的波形。這款元件使用低功率八線道 JEDSD204B 12.5 Gbit/s 介面與主機微處理器相連。(圖片來源：Texas Instruments)

DAC38RF82 支援三種解析度。當設定為 16 位元解析度時，能夠產生高達 2GHz 的 RF 訊號。當選擇 12 位元解析度時，能夠產生 2.66 GHz 的訊號。最快速的模式是設定為 8 位元解析度的模式，能夠產生 4.5 GHz 的波形。這些速度顯然超過了任何微控制器晶片上 DAC 周邊裝置的能力。

DAC38RF82 有足夠的效能用於行動訊號塔等基頻發射器，而且也可用於為高端測試設備等應用產生客製化波形。此外，DAC38RF82 還可用於為自動駕駛車輛產生雷達訊號。

這款元件比 DAC80508 複雜。若要產生高達 4.5 GHz 的訊號，需要用到相當快速的數據介面。DAC38RF82 採用了 JESD204B 序列數據介面，在 8 位元模式下，速度可快至 9 Gbits/s。這款元件能以這些介面速度與 FPGA 或 ASIC 連接。

在 12 位元或 16 位元模式下使用時，DAC38RF82 可以產生兩個 RF 波形。在高速 8 位元模式下則僅支援一個波形。這款元件需要三個電源電壓，即 1 V、1.8 V 以及 -1.8 V。鑒於元件的典型應用需求，這些電源電壓必須非常乾淨且無漣波。理想情況下，DAC 的三個主要且相對獨立的區塊 (數位子系統、類比子系統及時脈子系統)，都應有自己的分區電源供應器，以免發生任何意外的互動。

DAC 的 DNL 典型值為 ±3 LSB；INL 典型值為 ±4 LSB；增益誤差的典型值為 ±2%。在測試期間選擇適當的 DAC 數據暫存器數值，可以確保給定應用的精度。

開始 DAC38RF82 的開發

若想產生如此高的頻率且具有足夠精度，評估板是在開發過程中不可或缺的零件。DAC38RF82 由 DAC38RF82EVM 評估與開發板提供支援，該板支援這款高端 DAC 的所有功能。這款元件需要使用 TSW14J56EVM 數據擷取介面板，來產生傳輸至 DAC38RF82EVM 的數位訊號。數據擷取板會使用 USB 3.0 介面接至個人電腦。

圖 4：左邊的 DAC38RF82EVM 會透過 JESD204B 介面收到右邊 TSW14J56EVM 產生的數位數據，產生測試用 RF 訊號。(圖片來源：Texas Instruments)

隨附的評估軟體包含了對 DAC38RF82 進行評估、測試以及編程以實現目標應用所需的全部功能。

在使用這類高速元件時，佈局顯得格外重要。DAC38RF82 必須位於 PC 電路板的邊緣，並儘可能與其他所有元件隔離。在電源供應引腳與接地之間，必須嚴格遵守 RF 走線較短，且旁路電容運作良好的要求。其他與佈局相關的建議包括，使用具有焊盤上過孔的旁路電容，且在這些電容上有最低的殘端，避免產生寄生電感。此外，設計人員應針對輸出走線使用差動 100 Ω 共平面波導。

結論

配有通用晶片上 DAC 的微處理器，適用於在 Khz 範圍內產生具有合理精度的電壓及波形。但是，若想產生高精度電壓或極高的速度，則需使用外部 DAC 顯著提升應用的精度和效能，但也需要在電源供應和佈局的設計實務上做些改進。