Por que os microcontroladores geralmente não têm DACs no chip?

Em esta resposta eu li que microcontroladores geralmente não têm DACs, enquanto eles têm ADC. Por que é que?

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eu aprecio que a integração resistores como em um R-2R DAC é caro em termos de real-estate (graças Mike, pela sua resposta), mas eu pensei DACs atuais comutados podem ser feitas muito pequena, uma vez que só precisa de um punhado de transistores.

Primeiro, alguns microcontroladores possuem conversores D / A. No entanto, estes são muito menos comuns que os conversores A / D.

Além das questões técnicas, o principal motivo é a demanda do mercado. Pense nisso. Que tipo de aplicativo exigiria um D / A real? É muito raro desejar que um micro produza um sinal analógico de velocidade razoavelmente alta, a menos que o ponto seja o processamento do sinal. O principal mercado para isso, no entanto, é o áudio, e isso exige muito mais resolução do que você pode construir com o mesmo processo usado para fabricar o microcontrolador digital. Portanto, o áudio usará A / Ds e D / As externos de qualquer maneira. Os DSPs destinados a esses aplicativos possuem hardware de comunicação incorporado para conversar com esses dispositivos externos, como o I2S.

Caso contrário, para aplicativos de controle comuns, a estratégia é converter para o digital no início do processo e, em seguida, manter as coisas digitais. Isso defende os A / Ds, mas os D / As são inúteis, pois você não deseja voltar ao analógico.

As coisas que os microcontroladores normalmente controlam são controladas com PWM (PulseWidth Modulation). Fontes de alimentação comutadas e áudio classe D inerentemente funcionam com pulsos. O controle do motor, o controle do solenóide, etc., é feito com pulsos para maior eficiência. Você deseja que o elemento de passagem esteja totalmente ligado ou desligado porque um interruptor ideal não pode dissipar nenhuma energia. Em sistemas grandes ou onde a energia de entrada é escassa ou cara (como a operação com bateria), a eficiência dos sistemas de comutação é importante. Em muitos casos médios, a energia total usada não é o problema, mas livrar-se da energia desperdiçada como o calor. Um circuito de comutação que dissipa 1 W em vez de 10 W pode custar um pouco mais em peças eletrônicas que o circuito linear de 10 W, mas é muito mais barato no geral, porque você não precisa de um dissipador de calor com tamanho e peso associados,

Observe que as saídas PWM, que são muito comuns em microcontroladores, podem ser usadas para gerar sinais analógicos nos casos incomuns em que você precisa deles. A filtragem passa-baixa de uma saída PWM é a maneira mais fácil e agradável de emitir um sinal analógico a partir de um micro, desde que você tenha um produto com velocidade de resolução * suficiente. As saídas filtradas de PWM são bem monotônicas e altamente lineares, e a troca entre resolução e velocidade pode ser útil.

Você tinha algo específico em mente que desejava que um micro tivesse um conversor D / A? As chances são de que isso possa ser resolvido com PWM filtrado de passa-baixo ou precisaria de um D / A externo para obter maior velocidade de resolução *. A diferença entre o PWM filtrado e o externo é bem pequena, e o tipo de aplicativo que realmente precisa desse sinal também é pequeno.

Os DACs são relativamente caros na área de silício. Muito menos aplicativos precisam de saída analógica do que de entrada, e a funcionalidade DAC necessária para uma grande proporção de aplicativos pode ser alcançada com menor custo usando PWM e uma pequena quantidade de filtragem externa.

Duas outras questões, ainda não mencionadas:

• Existem muitos casos em que uma peça precisará medir as tensões em muitos pinos, mas não simultaneamente. É possível usar um único ADC junto com uma passagem por pino para fazer isso. Por outro lado, a maioria das partes que precisariam de várias saídas DAC precisaria delas simultaneamente.

• O circuito que faz a interface de um ADC com o mundo externo deve ser capaz de transferir corrente suficiente para carregar ou descarregar qualquer capacitância deliberada ou parasita no circuito de entrada do ADC. Não é apenas uma quantidade bastante pequena de corrente, mas é essencialmente independente da aplicação. A área extra necessária para atender aos requisitos de manuseio atual "no pior dos casos" seria insignificante em comparação com o que seria necessário para algo que pudesse funcionar em circunstâncias favoráveis ​​de aplicação. Por outro lado, diferentes aplicativos DAC terão diferentes requisitos atuais de fornecimento ou naufrágio, e a quantidade de área de chip necessária para lidar com esses requisitos variaria enormemente. Gastar 20% da área de chip em alguns DACs que se encaixam com precisão nos requisitos de um aplicativo seria sensato,

Aliás, uma técnica que eu não vi muito usada é combinar um DAC com um PWM. Ao usar um R / 2R DAC, é fácil adicionar uma entrada extra cujo peso seja igual ao LSB (por exemplo, um DAC de 3 + 1 entradas terá pesos de 1/2, 1/4, 1/8 e 1/8). Tomar um DAC de 8 bits e adicionar um sinal PWM a ele pode produzir um resultado de 12 bits com 1/128 do ruído de um PWM de 12 bits, mas a um custo menor do que o uso de um DAC de 12 bits de linearidade comparável.

Como disse Olin, alguns MCUs têm DACs. Dê uma olhada no Cypress PSoC3 e PSoC5. Eles contêm até dois DACs. Isso pode ser extremamente útil em aplicações de detecção analógica que requerem uma tensão de compensação antes da amplificação.

Por exemplo, usamos um para medir as saídas dos sensores de pressão. Cada chip sensor de pressão possui um desvio de tensão aleatório. Quando o MCU é redefinido, ele define a tensão do DAC para pouco menos que a saída do sensor. Em seguida, amplifica a diferença entre essas tensões.

É ótimo poder ter o ADC, DAC, Opamps e MCU em um único chip.

Revisitando isso em 2017, agora existem várias famílias de microcontroladores que incluem DACs (além do Cypress PSOC e PIC listados acima):

• Dispositivos analógicos ADuC70xx
• Atmel AVR XMEGA (algumas partes)
• Infineon XMC4100 / XMC4200
• Série NXP Kinetis, outros
• Renesas H8, R8, outros
• Silicon Labs
• STMicroelectronics algumas das séries STM32
• TI, algumas das séries MSP430, também algumas séries C2000
• Zilog (com processador Z8)

Pesquisa no Índice do produto Digikey > Circuitos integrados (ICs)> Microcontroladores incorporados fornece uma lista, com uma das colunas denominadas "Conversores de dados"