如何选择用于波形生成的数模转换器(DAC)?

如何选择用于波形生成的数模转换器(DAC)？  当你查看 MCU/SoC 规格时，你并不总是将 DAC 列为突出特性。我不确定 DAC 何时输给了ADC，但结果是通常必须选择 DAC 作为单独的组件。对于为不同的应用、数据速率和带宽选择 ADC，有很多建议。相比之下，关于如何选择 DAC 的大多数建议都集中在音频再现上。如果你正在为工业自动化、集成测试和测量设备、软件定义无线电或其他专业模拟应用等领域进行设计，那么在选择 DAC 时应考虑以下因素。

DAC 与 ADC 选择标准

ADC 和 DAC 过程彼此相反，但是这两种过程和两种类型的转换器对于数字和模拟世界之间的接口都很重要。尽管需要在正确的上下文中考虑每个转换过程的规范，但许多相同的规范适用于两个过程。甚至还有一些标准技巧可用于确保模拟信号的低噪声采集和再现，这些技巧适用于 DAC 选择。

如果你擅长选择 ADC，那么你可能也擅长选择 DAC。全面了解奈奎斯特定理（也称为采样定理）是学习如何选择 DAC 的重要起点。如果你可以根据奈奎斯特频率及其与数据速率的关系来思考问题，那么你就可以很好地选择 DAC。让我们看看 DAC 选择中的相关规格以及它们如何影响波形生成的性能。

波形生成的 DAC 规范

控制波形生成的规范与 ADC 所需的规范相似。以下是为这些波形生成任务选择 DAC 时需要考虑的一些重要规格。

界面：你需要将数据输入 DAC 以生成模拟信号。典型的接口是用于串行输入、并行或 PWM 的 SPI。

分辨率和单调性。分辨率决定了 DAC 可以容忍的噪声水平和模拟信号再现的准确性。单调性是一个相关的精度规范，它定义了 DAC 保持模拟输出遵循输入数据方向的能力。当输入电平下降时，DAC 输出在呈下降趋势之前不应上升。

采样率：所有 DAC 和 ADC 都具有由采样率定义的带宽。采样率决定了可以准确再现的最大频率（奈奎斯特频率）。但是，DAC 中使用的脉冲序列会引入超出采样率定义的带宽的额外频率内容。因此，DAC 的带宽没有明确定义；我将在下面更详细地介绍这一点。

动态范围：所有模拟组件都具有明确定义的动态范围（以 dB 为单位）。这指定了最大和最小输出信号电平之间的差异。

选择用于波形生成的 DAC 时涉及的两个主要规格是分辨率和采样率，因为它们是重建信号精度的基础。请注意，在高端 DAC 中，采样率可以达到许多 Gsps。然后需要将这些规范与重建的信号带宽进行比较，以确保模拟信号的准确再生。然而，由于信号重建过程，需要额外的电路来进行准确的信号重建，而这在 ADC 电路中是没有的。

DAC 波形生成中的杂散图像

虽然 ADC 和 DAC 执行逆过程，但它们不会重现完全相同的波形。在数模转换过程中引入的模拟信号的不准确性如下所示。由于重构模拟信号的量化，来自 DAC 的输出信号具有一些出现在比奈奎斯特频率更高的频率上的信号图像。

在上图中，DAC 输出上的 sinc 包络是由于使用脉冲串进行信号再生，它具有 sinc 功率谱。使用脉冲序列生成重建模拟信号的高阶图像；将这些图像视为包含重建模拟信号傅里叶频谱的高阶谐波。这些图像的幅度由正弦包络加权，如上所示。

过采样

就像过采样将噪声散布到更大的带宽并降低 ADC 中的整体本底噪声一样，过采样将图像内容散布到更高的带宽上，如上所示。换句话说，使用更高的采样率将重建信号的图像推到更高的频率。这简化了对输出信号进行滤波的要求，因为低阶滤波器可用于平滑。

过滤

要去除图像，你需要将输出模拟信号通过具有高滚降的低通或带通滤波器。高端截止应接近所需带宽的边缘，以抑制任何不需要的图像。高阶有源滤波器可以作为具有标准外形尺寸的 IC 购买，或者可以用分立元件设计滤波器。波形生成过程中涉及的采样和滤波的整个过程如下所示。

用于模拟信号处理的其他组件

当你在寻找 DAC 时，你可以找到来自主要制造商的一系列组件。这些组件的位分辨率往往大于具有相似采样率的 ADC 中使用的位分辨率，即使这两个组件可以准确地采样和再现相同的信号。这是由于在现代 ADC 上使用抖动来人为地补偿低分辨率并提高重建时的采样精度。

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