一直基于单片机的任意波形发生器设计

时间：2024-06-26 15:14:25

关键字：波形发生器 DAC

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[导读]作为在我们进入AWG项目之前探索相关设计细节的方法。前两篇文章介绍了微控制器和DAC，本文将讨论连接到DAC输出引脚的信号调理电路。

我最近设计了一个任意波形发生器(AWG)板，我一直在编写关于原理图的技术文章，作为在我们进入AWG项目之前探索相关设计细节的方法。前两篇文章介绍了微控制器和DAC，本文将讨论连接到DAC输出引脚的信号调理电路。

DAC(数字模拟转换器) 是一种电子设备或电路，用于将数字信号转换为相应的模拟信号。在现代电子系统中，DAC通常用于将数字信号转换为模拟电压或电流输出，以供模拟电路或外部设备使用。

DAC的基本工作原理是根据输入的数字信号值，在一定的时间间隔内产生相应的模拟输出。这个输出可以是连续的模拟电压或电流信号，也可以是离散的模拟量。DAC通常由一个数字信号输入端、一个模拟输出端和控制电路组成。

DAC的应用非常广泛，包括音频处理、通信系统、控制系统、测试与测量仪器等。在音频领域，DAC常用于数字音频播放器、音频接口、功放等设备中，将数字音频信号转换为模拟音频信号输出到扬声器或耳机。在控制系统中，DAC可用于生成模拟控制信号，控制电机、阀门、灯光等设备的运动或状态。

总之，DAC是数字电路与模拟电路之间的重要接口，它实现了数字信号到模拟信号的转换，为数字系统与模拟系统之间的数据交互提供了基础。

DAC(数字模拟转换器)的特性参数包括以下几个方面：

分辨率(Resolution)：

分辨率是DAC能够生成的模拟输出的精度，通常以比特数(位)来表示。例如，一个12位的DAC可以产生4096个离散的输出电压级别，即2的12次方个级别。分辨率越高，DAC输出的模拟信号的精度越高。

建立时间(Settling Time)：

建立时间是指DAC在输入信号发生变化后，输出信号稳定到指定精度所需的时间。它包括建立时间和保持时间两个部分。建立时间是从输入信号发生变化到DAC输出信号达到指定精度所需的时间，而保持时间是DAC输出信号保持在指定精度范围内的时间。建立时间的快慢直接影响DAC的动态性能。

精度(Accuracy)：

DAC的精度表示DAC输出信号与理想输出信号之间的最大偏差。精度通常以百分比或者绝对电压值表示。DAC的精度受到多种误差源的影响，主要包括：

比例系统误差(Gain Error)：表示输出信号与输入数字之间的比例误差。

失调误差(Offset Error)：表示DAC输出信号的零点偏差，即输入数字为0时输出信号与理想零点之间的差异。

非线性误差(Nonlinearity Error)：表示DAC输出信号的非线性程度，即输入数字变化时输出信号的非线性偏差。

这些误差源通常由元件参数误差、基准电压不稳定、运算放大器零漂等因素引起。

除了以上特性参数外，DAC的其他重要参数还包括动态范围、失真、抖动等。这些参数综合反映了DAC的性能水平，对于不同应用场景的设计和选择都具有重要意义。

电流到电压

AWG板中使用的DAC将数字数据转换为有点混乱的模拟数据形式。输出驱动电流而不是电压，输出信号是互补的(或平衡的，或差分 - 选择您喜欢的术语)。如果您已经阅读了上一篇文章，那么您应该对这些互补电流信号究竟是什么有充分的了解，但我们仍然有如何处理它们的问题。

我们假设您希望最终得到电压信号而不是电流信号。除此之外，你有选择权。

在我们查看我在AWG板中使用的电路之前，让我们讨论这些选项。

单端与差分

我的猜测是大多数应用程序都需要单端的最终DAC信号。但是，通过将差分DAC电流信号转换为缓冲差分电压，可以延长差分信号的优势。这不需要设计师的额外努力; 你真正需要做的就是使用差分输出放大器而不是典型的运算放大器。下图将指出您正确的方向。

这个应用笔记的图表，由ADI公司出版。

AC或DC，被动还是主动?

如果您使用DAC生成音频信号，您最终需要一个以0 V为中心的波形。如果您的信号链不需要总是在地面上的波形，您也可以转换为DAC直接输出到AC耦合信号。使用变压器很容易实现：

图来自AD9708 数据表。

我很欣赏无源元件的简单性，但如果有源解决方案更适合放大，则可以使用产生双极性输出信号的双电源运算放大器电路。这种方法的不便之处在于您需要正负电源电压。另一方面，它是有利的，因为它实际上不是AC耦合的 - 它产生以0V为中心的输出信号，但同时它与低频(或DC)信号兼容。相比之下，变压器严格用于交流应用。下图给出了双极运算放大器方法的示例。