一直基于單片機(jī)的任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

我最近設(shè)計(jì)了一個(gè)任意波形發(fā)生器(AWG)板，我一直在編寫關(guān)于原理圖的技術(shù)文章，作為在我們進(jìn)入AWG項(xiàng)目之前探索相關(guān)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的方法。前兩篇文章介紹了微控制器和DAC，本文將討論連接到DAC輸出引腳的信號(hào)調(diào)理電路。

DAC(數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器) 是一種電子設(shè)備或電路，用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬信號(hào)。在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，DAC通常用于將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓或電流輸出，以供模擬電路或外部設(shè)備使用。

DAC的基本工作原理是根據(jù)輸入的數(shù)字信號(hào)值，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的模擬輸出。這個(gè)輸出可以是連續(xù)的模擬電壓或電流信號(hào)，也可以是離散的模擬量。DAC通常由一個(gè)數(shù)字信號(hào)輸入端、一個(gè)模擬輸出端和控制電路組成。

DAC的應(yīng)用非常廣泛，包括音頻處理、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)試與測(cè)量?jī)x器等。在音頻領(lǐng)域，DAC常用于數(shù)字音頻播放器、音頻接口、功放等設(shè)備中，將數(shù)字音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號(hào)輸出到揚(yáng)聲器或耳機(jī)。在控制系統(tǒng)中，DAC可用于生成模擬控制信號(hào)，控制電機(jī)、閥門、燈光等設(shè)備的運(yùn)動(dòng)或狀態(tài)。

總之，DAC是數(shù)字電路與模擬電路之間的重要接口，它實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，為數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互提供了基礎(chǔ)。

DAC(數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器)的特性參數(shù)包括以下幾個(gè)方面：

分辨率(Resolution)：

分辨率是DAC能夠生成的模擬輸出的精度，通常以比特?cái)?shù)(位)來表示。例如，一個(gè)12位的DAC可以產(chǎn)生4096個(gè)離散的輸出電壓級(jí)別，即2的12次方個(gè)級(jí)別。分辨率越高，DAC輸出的模擬信號(hào)的精度越高。

建立時(shí)間(Settling Time)：

建立時(shí)間是指DAC在輸入信號(hào)發(fā)生變化后，輸出信號(hào)穩(wěn)定到指定精度所需的時(shí)間。它包括建立時(shí)間和保持時(shí)間兩個(gè)部分。建立時(shí)間是從輸入信號(hào)發(fā)生變化到DAC輸出信號(hào)達(dá)到指定精度所需的時(shí)間，而保持時(shí)間是DAC輸出信號(hào)保持在指定精度范圍內(nèi)的時(shí)間。建立時(shí)間的快慢直接影響DAC的動(dòng)態(tài)性能。

精度(Accuracy)：

DAC的精度表示DAC輸出信號(hào)與理想輸出信號(hào)之間的最大偏差。精度通常以百分比或者絕對(duì)電壓值表示。DAC的精度受到多種誤差源的影響，主要包括：

比例系統(tǒng)誤差(Gain Error)：表示輸出信號(hào)與輸入數(shù)字之間的比例誤差。

失調(diào)誤差(Offset Error)：表示DAC輸出信號(hào)的零點(diǎn)偏差，即輸入數(shù)字為0時(shí)輸出信號(hào)與理想零點(diǎn)之間的差異。

非線性誤差(Nonlinearity Error)：表示DAC輸出信號(hào)的非線性程度，即輸入數(shù)字變化時(shí)輸出信號(hào)的非線性偏差。

這些誤差源通常由元件參數(shù)誤差、基準(zhǔn)電壓不穩(wěn)定、運(yùn)算放大器零漂等因素引起。

除了以上特性參數(shù)外，DAC的其他重要參數(shù)還包括動(dòng)態(tài)范圍、失真、抖動(dòng)等。這些參數(shù)綜合反映了DAC的性能水平，對(duì)于不同應(yīng)用場(chǎng)景的設(shè)計(jì)和選擇都具有重要意義。

電流到電壓

AWG板中使用的DAC將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有點(diǎn)混亂的模擬數(shù)據(jù)形式。輸出驅(qū)動(dòng)電流而不是電壓，輸出信號(hào)是互補(bǔ)的(或平衡的，或差分 - 選擇您喜歡的術(shù)語)。如果您已經(jīng)閱讀了上一篇文章，那么您應(yīng)該對(duì)這些互補(bǔ)電流信號(hào)究竟是什么有充分的了解，但我們?nèi)匀挥腥绾翁幚硭鼈兊膯栴}。

我們假設(shè)您希望最終得到電壓信號(hào)而不是電流信號(hào)。除此之外，你有選擇權(quán)。

在我們查看我在AWG板中使用的電路之前，讓我們討論這些選項(xiàng)。

單端與差分

我的猜測(cè)是大多數(shù)應(yīng)用程序都需要單端的最終DAC信號(hào)。但是，通過將差分DAC電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為緩沖差分電壓，可以延長(zhǎng)差分信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。這不需要設(shè)計(jì)師的額外努力; 你真正需要做的就是使用差分輸出放大器而不是典型的運(yùn)算放大器。下圖將指出您正確的方向。

這個(gè)應(yīng)用筆記的圖表，由ADI公司出版。

AC或DC，被動(dòng)還是主動(dòng)?

如果您使用DAC生成音頻信號(hào)，您最終需要一個(gè)以0 V為中心的波形。如果您的信號(hào)鏈不需要總是在地面上的波形，您也可以轉(zhuǎn)換為DAC直接輸出到AC耦合信號(hào)。使用變壓器很容易實(shí)現(xiàn)：

圖來自AD9708 數(shù)據(jù)表。

我很欣賞無源元件的簡(jiǎn)單性，但如果有源解決方案更適合放大，則可以使用產(chǎn)生雙極性輸出信號(hào)的雙電源運(yùn)算放大器電路。這種方法的不便之處在于您需要正負(fù)電源電壓。另一方面，它是有利的，因?yàn)樗鼘?shí)際上不是AC耦合的 - 它產(chǎn)生以0V為中心的輸出信號(hào)，但同時(shí)它與低頻(或DC)信號(hào)兼容。相比之下，變壓器嚴(yán)格用于交流應(yīng)用。下圖給出了雙極運(yùn)算放大器方法的示例。

這個(gè)應(yīng)用筆記的圖表，由ADI公司出版。

如果您不僅需要直流耦合，還需要保持高于地的波形，則需要配置運(yùn)算放大器電路，以便為輸出信號(hào)添加適當(dāng)?shù)闹绷髌?。這種做法是非常方便的，因?yàn)樗ぷ髡?，?dāng)你只有一個(gè)電源電壓(和討論這里，單電源電路是非常流行的這些天)。

單電源輸出電路的一個(gè)例子。圖來自AD9708 數(shù)據(jù)表。

忽略其中一個(gè)輸出

如果您愿意為了簡(jiǎn)單而交易性能，您可以假裝DAC是單端設(shè)備。將其中一個(gè)輸出接地，然后獲取另一個(gè)輸出產(chǎn)生的電流，并使用典型的運(yùn)算放大器電流 - 電壓轉(zhuǎn)換器(也稱為跨阻抗放大器)將其轉(zhuǎn)換為電壓。您可以在上面提到的應(yīng)用筆記的第6頁上閱讀有關(guān)此方法的更多信息。

我的電路

我不想在我的電路板中加入負(fù)電源，我不想使用變壓器(我不記得為什么......可能是為了確保與低頻和直流信號(hào)的兼容性，或者可能因?yàn)槲覍?duì)運(yùn)算放大器比較熟悉。我也不需要差分電壓信號(hào)。因此，我最終得到了上面討論的單電源，單端運(yùn)算放大器配置。這是電路：