DAC USCITE E PARAMETRI

I DAC integrati possono essere configurati in modo da fornire un segnale (normalmente di tensione) unipolare (cioè avente una sola polarità, positiva o negativa) oppure bipolare (cioè un segnale con escursioni sia positive sia negative). Normalmente l'uscita unipolare o bipolare viene generata mediante l'aggiunta di strutture circuitali esterne al DAC e/o sfruttando la presenza di componenti aggiuntivi predisposti dal costruttore e integrati nel medesimo chip del DAC. Tali configurazioni circuitali sono normalmente specificate nel data sheet del DAC utilizzato. La gestione dell'uscita unipolare o bipolare viene effettuata applicando in ingresso le configurazioni proprie di codici digitali che si suppongono noti. Per sicurezza di impiego i data sheet riportano, accanto alle sopra citate configurazioni circuitali, anche le corrispondenti tabelle che specificano le caratteristiche dei codici digitali di ingresso da impiegare per la corretta gestione dell'uscita unipolare o bipolare del DAC scelto. Per esempio, le tabelle 1 e 2 illustrano quanto esposto con riferimento al DAC a 10 bit AD7533. Le combinazioni d’ingresso complessive sono 1024 ma, come si nota, le due tabelle riportano solo quelle più significative utili alla comprensione dell'andamento dell’uscita. Non è necessario, infatti, specificare i valori dell'uscita corrispondenti a tutte le combinazioni d’ingresso ma solo quelli che caratterizzano il funzionamento del DAC.

Tabella 1 Codici digitali d’ingresso di un DAC e corrispondenti valori assunti dall’uscita unipolare

Tabella 2 Codici digitali d’ingresso di un DAC e corrispondenti valori assunti dall’uscita bipolare

• La tabella 1 descrive i valori più significativi assunti dall'uscita unipolare (in questo caso negativa), ottenibili dalle corrispondenti combinazioni di ingresso. Per ingresso digitale nullo anche l'uscita è nulla. Il valore massimo dell'uscita si ottiene quando tutti i bit dell'ingresso sono a 1. È immediato ricavare il valore del quanto Q che risulta essere Q=V_REF/1024

• La tabella 2 fornisce lo stesso tipo di informazione della tabella precedente per una uscita bipolare.

• Praticamente, i due tipi d’uscita si ottengono configurando il DAC per uscita unipolare o bipolare, secondo quanto specificato nel data sheet del DAC, e poi applicando le combinazioni digitali di ingresso per l'uno o per l'altro tipo di uscita seguendo le indicazioni delle rispettive tabelle.

I principali parametri dei DAC riportati nei data sheet

Come tutti i dispositivi integrati anche i DAC sono caratterizzati da un insieme di parametri che ne specificano il funzionamento. Nel seguito vengono considerati quelli principali. La figura 3a descrive l'andamento ideale dell'uscita di un DAC a tre bit (tale scelta è dettata da ragioni di comodità grafica) corrispondente a tutte le configurazioni d’ingresso crescenti da 000 a 111.

Unendo i vertici degli scalini dell'uscita nel modo indicato in figura, si ottiene una linea retta (straight line) che definisce l'andamento ideale desiderato per l’uscita di qualunque DAC. Tale andamento viene assunto come riferimento. In tal modo il comportamento effettivo di un DAC è valutato in termini di scostamento dal funzionamento ideale.

Fig. 3 a) Risposta ideale b) Offset c) Guadagno d) Linearità

Offset

Come mostrato in figura 3(b), l'offset coincide con la tensione rilevabile all’uscita di un DAC quando la configurazione di ingresso è composta solo da zeri. Per tale motivo la rilevazione dell’offset viene normalmente eseguita configurando il DAC per uscita unipolare. L'offset tende a mantenersi costante anche in corrispondenza di tutte le altre combinazioni d’ingresso. Pertanto, l'andamento dell'uscita soggetta a offset è rappresentato da una linea parallela a quella ideale e, in genere traslata verso l'alto di un valore pari a quello dell’offset stesso. L'offset è provocato dall’insieme delle tensioni continue generate dal funzionamento reale della circuiteria interna del DAC e, non da ultimo, dall'offset dell’operazionale. Molti DAC integrati sono dotati di piedini di compensazione dell'offset.

Guadagno

Lo scostamento dell'uscita effettiva rispetto a quella ideale si manifesta anche con una pendenza diversa da quella attesa. Come mostrato in figura 3(c), l'uscita di un DAC può assumere una pendenza superiore o inferiore a quella ideale. Per tale ragione questo tipo di scostamento viene chiamato errore di guadagno (spesso indicato nei data sheet con il semplice termine di gain).

È possibile compensare l'offset e il guadagno seguendo in modo preciso le indicazioni fornite dal data sheet di ciascun DAC. In genere, prima si annulla l'offset mediante una parola di ingresso composta solo da zeri e poi si regola il guadagno applicando in ingresso una parola di soli 1 e agendo in modo tale da ottenere una uscita corrispondente al valore di Fondo Scala (FS).

Linearità

Come mostrato in figura 3(d), l'andamento reale dell'uscita può assumere un andamento non lineare, cioè diverso da quello ideale (senza offset ed errori di guadagno). La linearità (linearity) è definita come il massimo valore della deviazione presentata dall'andamento reale dell'uscita rispetto a quello ideale. La linearità viene misurata in percentuale del valore di Fondo Scala oppure in frazioni (sottomultipli) di 1 LSB. La linearità è normalmente contenuta entro ± ( 1/2) LSB o ± (1/2) Q.

Linearità differenziale

Quando l'ingresso digitale commuta da una configurazione a quella successiva l'uscita dovrebbe aumentare di un gradino pari a un quanto Q e ciò dovrebbe verificarsi per qualunque commutazione dell'ingresso da una configurazione a quella successiva. La linearità differenziale (differential non linearity) misura la deviazione a cui è soggetta la variazione di un gradino dell'uscita reale rispetto al gradino dell'uscita ideale. Questo parametro viene misurato in sottomultipli di 1 LSB e normalmente assume un valore pari a ± ( 1/2) LSB o ± (1/2) Q.

Monotonicità

Se la linearità differenziale supera il valore di 1 LSB allora l'uscita può aumentare (o diminuire) di un gradino di ampiezza superiore a Q. Ciò significa che quando l'ingresso passa da una configurazione a quella successiva l'uscita può aumentare (o diminuire) di un valore superiore a Q. In questi casi l'uscita assume un valore uguale in corrispondenza di diverse combinazioni di ingresso e, quindi, non è monotona.

Tempo d’assestamento

Il tempo di assestamento (settling time) è l'intervallo di tempo necessario all'uscita di un DAC per raggiungere e mantenersi all'interno di una frazione (normalmente ± ( 1/2) LSB) del valore finale, in corrispondenza di una commutazione dell'ingresso. Il valore di questo parametro cambia al variare della commutazione dell'ingresso. Tipicamente le commutazioni considerate sono quelle relative a 1 LSB, 1 MSB e al Fondo Scala.

Compliance Voltage Range

Questo parametro indica la massima variazione della tensione d’uscita in corrispondenza della quale il DAC è in grado di garantire i valori specificati della corrente d’uscita.

Slew Rate

Come sappiamo, questo parametro indica il valore massimo del tasso di variazione dell'uscita. Anche per un DAC lo Slew Rate mantiene lo stesso significato e risulta praticamente fissato dallo Slew Rate dell'operazionale d’uscita del DAC stesso.

Risoluzione

Questo parametro è già stato definito. Si ricordi che esso viene indicato mediante il numero n di bit dell'ingresso digitale oppure mediante il valore di Q.

Rapporto Segnale Rumore

Il rapporto segnale rumore (SNR: Signal to Noise Ratio) viene espresso in decibel e fornisce un'importante indicazione rispetto all'incidenza del rumore sul segnale utile. Il SNR dipende dalla risoluzione del convertitore impiegato, cioè del numero n di bit. Si dimostra che il valore di tale parametro nel caso di segnale sinusoidale è fornito dalla seguente relazione:

SNR = (6,02n+1,76) dB

Glitch

Una qualunque commutazione dell'ingresso di un DAC dovrebbe generare la corrispondente commutazione dell'uscita in modo sicuro. In realtà i deviatori (current switches) della rete a scala non commutano istantaneamente e contemporaneamente. Ciò significa che in corrispondenza di una commutazione dell'ingresso il DAC genera, seppur per un breve intervallo di tempo, una tensione d’uscita diversa da quella attesa. In generale, si parla di commutazioni principali (major transitions) e di commutazioni secondarie (minor transitions). La più importante commutazione principale si verifica quando l'ingresso del DAC commuta intorno al MSB, per cui commutano anche tutti i deviatori: per esempio la commutazione 011® 100. In corrispondenza delle commutazioni principali, a causa della sopra citata diversità della velocità di commutazione dei deviatori, il DAC può fornire in uscita anche una tensione nulla per un breve intervallo di tempo (in generale una tensione diversa da quella attesa) prima di raggiungere il valore corretto dell'uscita stessa. Questi transitori producono un andamento dell’uscita come quello descritto in figura 4.

Fig. 4 Esempio di Glitch

Tali transitori vengono chiamati glitch e possono assumere ampiezze di valore molto diverso. I glitch si possono verificare, in misura più contenuta, anche in corrispondenza delle commutazioni secondarie. La presenza dei glitch deve essere eliminata e ciò si ottiene mediante i cosiddetti circuiti deglitcher, che possono anche essere incorporati nello stesso chip del DAC. Normalmente i deglitcher sono realizzati mediante moduli Sample & Hold veloci (fast). Il modulo campionatore mantiene costante la tensione di uscita fino a quando tutti i deviatori sono commutati nella corretta posizione corrispondente alla nuova combinazione d’ingresso. In questo modo la tensione d’uscita che ora corrisponde all'uscita dei deglitcher risulta priva dei glitch. Ovviamente il funzionamento dei deglitcher deve essere opportunamente sincronizzato con quello del DAC.

L'uscita di un DAC è, ovviamente, influenzata dalla presenza contemporanea di tutti parametri considerati e anche di quelli non riportati in questa sede ma specificati nei data sheet. L’uso corretto di un DAC pertanto, deve prevederne la calibrazione, che consiste nell’eliminazione, o nel massimo contenimento, di tutti i più significativi scostamenti dal funzionamento che abbiamo definito ideale. Le procedure per tale calibrazione sono riportate per ogni DAC nel relativo data sheet.