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Sepa cuándo y cómo elegir y aplicar un conversor de digital a analógico (DAC) externo para un microcontrolador

Por Bill Giovino

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Algunos microcontroladores de 32 bits tienen conversores de digital a analógico (DAC) en chip para generar frecuencia o voltaje. Para muchas aplicaciones, esto ofrece una funcionalidad adicional a la vez que ahorra espacio en la placa. Sin embargo, es posible que las aplicaciones necesiten una funcionalidad especializada del DAC que no se encuentra en los microcontroladores.

Este artículo aborda las capacidades y las limitaciones de un DAC de microcontrolador en chip. A continuación, presenta ejemplos de soluciones de DAC externos de alta precisión y muestra cómo usarlos con el fin de generar señales analógicas precisas.

Funcionamiento de los DAC en chip

Para permitir que los diseñadores generen señales analógicas personalizadas, los fabricantes de microcontroladores comenzaron a incluir periféricos de DAC en chip. Se pueden utilizar para generar voltajes precisos, así como para personalizar formas de onda, entre las que se incluyen ondas sinusoidales y triangulares. Los DAC también se pueden utilizar para generar síntesis de voz.

Un DAC genera un voltaje de salida tan bajo como 0 voltios y tan alto como el voltaje de referencia analógico para este. El voltaje es proporcional al valor digital en el registro de datos del DAC, con una precisión que se basa en la resolución de dicho DAC. Por ejemplo, si la resolución del DAC es de 8 bits y el voltaje de referencia es de 5 voltios, entonces la precisión de 1 bit menos significativo (LSB) del DAC es 5/255, lo que es igual a 0.0196 voltios. Así que, de manera ideal, si el registro de datos del DAC de 8 bits contenía 01h, entonces la salida de este sería el equivalente a 1 LSB o 0.0196 voltios. Si el registro de datos del DAC de 8 bits contiene el valor F1h (241), entonces la salida de un DAC ideal sería 4.7236 voltios. Lo ideal sería que agregar 01h al registro de datos del DAC aumente el valor del voltaje de salida en 1 LSB.

Por supuesto, al igual que todo circuito analógico, ningún DAC es ideal. La variación de la salida del DAC del valor ideal del registro de datos se denomina error de no linealidad diferencial (DNL) y se mide en LSB. Por ejemplo, un DAC de microcontrolador normal puede especificar un DNL de ± 2 LSB.

Los DAC también pueden experimentar un error de ganancia lineal. Esto se mide como un porcentaje agregado a la salida ideal, a menudo añadiendo un 0.5 % adicional al voltaje de salida.

Para un DAC ideal, una línea recta sería un diagrama de los valores de salida frente al contenido del registro de datos del DAC. También sería una línea recta agregar los errores lineales provocados por las variaciones de los parámetros del circuito del DAC para uno del mundo real. En realidad, esa línea se distanciaría de una línea recta y se inclinaría hacia afuera para formar una curva no lineal. Esta no linealidad también se debe a las variaciones en el circuito del DAC sobre voltaje y temperatura. Este error de no linealidad se denomina error de no linealidad integral (IRL). Para los DAC del microcontrolador, esto puede ser de ± 4 LSB o más.

Para generar frecuencia, la frecuencia de salida más rápida de un DAC de microcontrolador se limita a la frecuencia de la unidad central de procesamiento (CPU) de dicho microcontrolador.

Todos los DAC necesitan un voltaje de referencia preciso para proporcionar una señal analógica de precisión. Por lo general, en los microcontroladores modernos, ese voltaje de referencia del DAC se obtiene de un pin de voltaje de referencia analógica dedicado. Interno al microcontrolador, este voltaje de referencia analógica se mantiene separado y aislado de la lógica digital interna con el fin de minimizar la ondulación de la fuente de alimentación. Sin embargo, cabe esperar una pequeña interferencia de la lógica digital de alta velocidad. Si bien los periféricos del DAC no son tan susceptibles a la ondulación de la fuente de alimentación cuando se generan las ondas sinusoidales, se puede detectar dicha ondulación cuando se necesita un voltaje de salida estable y preciso, o cuando se genera una voz sintetizada o un tono musical.

Aunque el uso de un voltaje de referencia superior puede minimizar el efecto de la ondulación de la fuente de alimentación, también evitaría que el DAC genere voltajes inferiores, a la vez que reduciría su precisión para 1 LSB.

DAC externos de un único chip para señales pequeñas

En la mayoría de los microcontroladores, los periféricos del DAC pueden proporcionar una precisión suficiente para aplicaciones comunes. Sin embargo, existen situaciones en las que se necesita una precisión o velocidad extremadamente altas. Esto se produce cuando un DAC externo se convierte en una necesidad práctica.

Texas Instruments tiene una línea de DAC externos que pueden generar señales analógicas para todos los problemas de diseño. Por ejemplo, si escasea el espacio de la placa, el DAC DAC80508MYZFTde 16 bits es extremadamente pequeño con solo 2.4 x 2.4 mm en un paquete de matriz de rejilla de bolas de tamaño del circuito integrado (DSBGA). Este DAC posee ocho salidas y puede conectarse a la mayoría de los microcontroladores a través de una interfaz periférica serial (SPI) con una velocidad de reloj de hasta 50 megahercios (MHz) (Figura 1).

Diagrama del DAC DAC80508 de Texas Instruments

Figura 1: El DAC80508 se conecta a la mayoría de los microcontroladores a través de una SPI y posee ocho canales de salida analógicos idénticos. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El DAC80508 puede utilizar una referencia de voltaje analógica externa o el voltaje de la fuente de alimentación digital del DAC para generar su propio voltaje de referencia interno de 2.5 voltios con una precisión de ± 5 mV. La deriva del voltaje de referencia representa un mínimo de 2 partes por millón por grado Celsius (ppm/°C). Esto proporciona un voltaje de referencia de gran estabilidad en su rango de temperatura de -40 °C a + 125 °C. De manera optativa, se puede dividir el voltaje de referencia por 2 para proporcionar señales analógicas con un límite de 1.25 voltios.

El DAC80508 tiene una precisión que no se encuentra en la mayoría de los periféricos del DAC del microcontrolador. El error de no linealidad integral (INL) y el DNL son ambos de ± 0.5 LSB normal y ± 1 LSB máximo. El error de ganancia es de ±0.5 % normal y ±1 % máximo. Con una resolución de 16 bits, este nivel de precisión es perfecto para convertir señales de audio digital en audio analógico. Se puede utilizar, por ejemplo, para convertir el audio digital modulado por código de pulso (PCM) transmitido a través de cables de fibra óptica o convertir el audio digital desde un dispositivo de almacenamiento. Después de convertir el audio digital en datos de audio de 16 bits, el DAC80508 puede transformar los datos en señales de audio analógicas que se envían a través de cables RCA comunes. Si el voltaje de referencia se establece en 1.25 voltios, esta precisión es más que suficiente para generar señales de audio a nivel de línea.

El DAC80508 también tiene un amplificador de ganancia de salida que puede multiplicar el voltaje de salida por dos, lo que genera que dicho voltaje represente el doble del voltaje de referencia.

Es sencillo generar formas de onda analógicas con el DAC80508 a través de la interfaz SPI. Cada paquete de comando de SPI que se envía a un registro de datos del DAC tiene 32 bits de ancho. Dichos paquetes contienen la dirección del canal a escribir junto con los datos de 16 bits que se escribirán en el registro. Todos los canales de salida del DAC80508 pueden programarse para generar el voltaje de salida de inmediato después de escribir los datos en el registro o pueden mantener todos los valores en los registros de datos del DAC hasta que la SPI escriba en un registro de difusión interno. Escribir un “1” lógico en alguna de las ocho posiciones de bit de registro de difusión solo actualiza esa salida del DAC con el valor en su registro de datos de dicho DAC. Esto permite que se generen señales síncronas, que son útiles para producir formas de onda para equipos de pruebas.

Evitar errores de señal y ruido

Cuando se utiliza en entornos industriales ruidosos, es posible que no se pueda evitar la interferencia ocasional, especialmente si se presentan altos voltajes. Para evitar errores en la señal de salida debido a la interferencia en la SPI, el DAC80508 puede generar de manera optativa una suma de comprobación de 8 bits al final de cada paquete de SPI (Figura 2). Si la suma de comprobación es válida, se escribe el registro de datos del DAC. No obstante, si dicha suma falla, no se escriben datos. De manera optativa, en una suma de comprobación fallida, el DAC puede bajar el pin de objetos de datos de servicio (SDO) de la SPI y funcionar como un pin de alarma activo de nivel bajo. El firmware del microcontrolador tiene la responsabilidad de actuar sobre la suma de comprobación fallida.

Bit Campo Descripción
31 RW Identifica la comunicación como un comando de lectura o escritura en el registro direccionado. R/W = 0 establece un funcionamiento de escritura. R/W = 1 establece un funcionamiento de lectura.
30 ERROR DE CONTROL DE REDUNDANCIA CÍCLICA (CRC) Bit reservado. Establecer en cero.
29:28 Reservado Bits reservados. Debe estar lleno de ceros.
27:24 A [3:0] Registrar dirección. Especifica el registro al que se accederá durante el funcionamiento de lectura o escritura.
23:8 DI [15:0] Bits de ciclo de datos. Si es un comando de escritura, los bits del ciclo de datos representan los valores que se escribirán en el registro con la dirección A [3:0]. Si se trata de un comando de lectura, los bits del ciclo de datos son valores sin importancia.
7:0 CRC Polinomio de CRC de 8 bits.

Figura 2: Estructura del paquete de la SPI de 32 bits. Cuando el paquete de la SPI del registro de datos del DAC del DAC80508 contiene una suma de comprobación de 8 bits, dicho paquete se envía primero a los bits más significativos (MSB), con los últimos bits (7:0) que contienen la suma de comprobación. El DAC80508 genera de forma automática la suma de comprobación. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Independientemente de la precisión adjudicada a cualquier DAC, dicha precisión solo puede garantizarse a través de una fuente de alimentación limpia. Es fundamental que el controlador de dispositivo virtual (VDD) para el DAC80508 sea de ruido bajo sin ondulación. Si se usa el DAC80508 en un conversor de CC a CC, se recomienda tener mucho cuidado, ya que estas fuentes de alimentación son extremadamente ruidosas por naturaleza. Es importante el filtrado en el VDD, por lo que se debe colocar un capacitor de 1 microfaradio (µF) a 10 µF junto con uno de 0.1 µF entre el VDD y la tierra analógica. Se deben usar capacitores de cerámica de baja resistencia equivalente en serie (ESR) y se deben colocar lo más cerca posible del pin del VDD.

Las salidas de señales analógicas deben mantenerse cerca de los bordes de la placa de CI y bien aisladas de los componentes digitales. Esto no solo cumple la función de evitar que se produzca una interferencia en las salidas analógicas del DAC, sino también de evitar que estas señales analógicas interfieran con otras en la placa de CI.

DAC de alta velocidad y alto rendimiento

A veces, una aplicación sin compromiso exige un rendimiento extremadamente alto. Los DAC pueden incluso generar señales en el rango de los gigahercios. Esto puede ser muy importante para los equipos de radar cuando los circuitos analógicos rectos no pueden crear la precisión necesaria para dicho radar. Para tales aplicaciones, el DAC de doble canal de radiofrecuencia (RF) de alta velocidad DAC38RF82IAAV de Texas Instruments se puede utilizar para generar formas de onda superiores a 1 gigahercio (GHz) en un paquete de matriz de rejilla de bolas (BGA) relativamente pequeño de 10 mm x 10 mm (Figura 3).

Diagrama del DAC DAC38RF82 de rendimiento ultra alto de Texas Instrument

Figura 3: El DAC38RF82 es un DAC de rendimiento ultra alto que puede generar formas de onda superiores a 1 GHz. Se conecta a un microprocesador principal a través de una interfaz JEDSD204B de ocho carriles de 12.5 Gbit/s de bajo consumo. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El DAC38RF82 admite tres resoluciones. Cuando se establece para una resolución de 16 bits, puede generar señales de RF de hasta 2 GHz. Cuando se selecciona la resolución de 12 bits, puede generar señales de 2.66 GHz. El modo más rápido se produce cuando se establece en una resolución de 8 bits en la que puede generar formas de onda de 4.5 GHz. No caben dudas de que estas velocidades superan las capacidades de cualquier periférico de DAC del microcontrolador en chip.

El DAC38RF82 tiene un rendimiento suficiente como para utilizarse en transmisores de banda base, tales como torres celulares, y también puede usarse con el fin de generar formas de onda personalizadas para aplicaciones como equipos de pruebas de alta calidad. El DAC38RF82 también se puede utilizar para generar señales de radar para vehículos autónomos.

Este dispositivo es más complejo que el DAC80508. La generación de señales de hasta 4.5 GHz necesita de una interfaz de datos muy rápida. El DAC38RF82 utiliza una interfaz de datos en serie JESD204B que, en modo de 8 bits, es tan rápida como 9 Gbits/s. A estas velocidades de interfaz, el dispositivo se conecta a un arreglo programable de puertas en campo (FPGA) o a un producto estándar específico para los clientes (ASIC).

Cuando se utiliza en modo de 12 bits o de 16 bits, el DAC38RF82 puede generar dos formas de onda de RF. En el modo de alta velocidad de 8 bits, solo se admite una forma de onda. Necesita tres voltajes de suministro: 1 voltio, 1.8 voltios y -1.8 voltios. Dadas las exigencias normales de la aplicación del dispositivo, estos voltajes de suministro deben estar muy limpios y libres de ondulaciones. Lo ideal sería que cada una de las tres secciones principales y relativamente independientes del DAC (el subsistema digital, el analógico y el de reloj) tengan su propia fuente de alimentación dividida para evitar interacciones no deseadas.

El DNL del DAC es de ± 3 LSB normal, su INL es de ± 4 LSB normal, y tiene un error de ganancia normal de ± 2 %. Durante la prueba, al seleccionar los valores de registro de datos adecuados del DAC, se puede garantizar la precisión de una aplicación determinada.

Puesta en marcha del desarrollo del DAC38RF82

Cuando se generan frecuencias tan altas con suficiente precisión, es fundamental contar con una placa de evaluación como parte del proceso de desarrollo. El DAC38RF82 es compatible con la placa de desarrollo y evaluación del DAC38RF82EVM, que admite todas las características de este DAC de alta calidad. Necesita una placa de interfaz de captura de datos TSW14J56EVM para generar las señales digitales que se conectan al DAC38RF82EVM. La placa de captura de datos se conecta a una computadora a través de una interfaz USB 3.0.

Imagen del DAC38RF82EVM (izquierda) y TSW14J56EVM (derecha) de Texas Instruments

Figura 4: El DAC38RF82EVM de la izquierda recibe datos digitales que se envían a través de una interfaz JESD204B que genera la TSW14J56EVM de la derecha, lo que produce señales de RF para pruebas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El software de evaluación proporcionado contiene todo lo necesario para evaluar, probar y programar el DAC38RF82 para la aplicación de destino.

Cuando se utiliza un dispositivo de alta velocidad, la disposición es fundamental. El DAC38RF82 debe ubicarse en el borde de la placa de CI y estar separado de todos los demás componentes tanto como se pueda. Deben seguirse de forma estricta las trayectorias cortas de RF y los capacitores de derivación de buena práctica entre los pines de suministro y la tierra. Otras recomendaciones de disposición incluyen el uso de capacitores de derivación con vías en el interior del panel, con un mínimo de stubs en esos capacitores para evitar que se genere la inductancia parásita. Además, los diseñadores deben utilizar una guía de onda coplanar diferencial de 100 Ω para las trayectorias de salida.

Conclusión

Los microcontroladores con DAC en chip de fines generales son adecuados para generar voltaje y formas de onda con una precisión razonable en el rango de los kilohercios. Sin embargo, para la generación de muy alta velocidad o de voltaje de precisión, se pueden utilizar los DAC externos para mejorar de manera significativa la precisión y el rendimiento de la aplicación, aunque también es necesario igualar de alguna forma las prácticas de diseño con respecto a las fuentes de alimentación y la disposición.

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Acerca de este autor

Bill Giovino

Bill Giovino es ingeniero electrónico con un BSEE de la universidad de Syracuse y es uno de los pocos profesionales capaz de pasar de ingeniería en diseño a ingeniería de aplicación en campo a marketing tecnológico de forma exitosa.

Durante más de 25 años, Bill ha disfrutado promocionar las nuevas tecnologías a audiencias técnicas y no técnicas por igual en muchas empresas, entre ellas STMicroelectronics, Intel y Maxim Integrated. Mientras trabajó en STMicroelectronics, Bill ayudó a dirigir los primeros éxitos de la empresa en la industria de microcontroladores. En Infineon, Bill estuvo a cargo de que el diseño del primer controlador de la empresa tuviera éxito en la industria automotriz de EE. UU. Como consultor de marketing para CPU Technologies, Bill ha ayudado a muchas empresas a convertir sus productos con bajo rendimiento en casos de éxito.

Bill fue uno de los primeros en adoptar el Internet de las cosas, incluso colocar la primera pila de TCP/IP en un microcontrolador. Bill es un ferviente creyente de "Vender a través de la educación" y de la gran importancia de contar con comunicaciones claras y bien escritas a la hora de promocionar productos en línea. Es moderador del grupo en Linkedin denominado Semiconductor Sales & Marketing (Marketing y ventas de semiconductores) y habla sobre el concepto B2E (empresa-empleado) de manera fluida.

Acerca de este editor

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