Geração de Formas de Onda de Alta Precisão com PCB Customizada Baseada em DAC

Geração de Formas de Onda de Alta Precisão com PCB Customizada Baseada em DAC

Neste guia percorremos design de firmware e hardware que entrega formas de onda arbitrárias rápidas e precisas usando microcontrolador C8051F360 e DAC TxDAC da Analog Devices.

Visão Geral do Projeto

A placa é centrada no C8051F360 MCU e um TxDAC DAC. Os dois CIs comunicam via barramento paralelo, permitindo empurrar a taxa de atualização do DAC aos limites do clock de 100 MHz do núcleo do MCU.

Posts anteriores detalharam esquemático, seleção de componentes e layout de PCB. Este artigo foca no framework de firmware que move dados da memória para o DAC, garantindo interface estável e de alta precisão.

Objetivos de Design

• Temporização de Alta Precisão — O AWG deve produzir sinais que correspondam a formas de onda matemáticas com jitter mínimo.
• Eficiência do Processador — Firmware deve rodar concorrentemente com outras tarefas, mantendo MCU responsivo.
• Velocidade Máxima — Alvo de pelo menos 10 MHz de amostragem, produzindo sinais utilizáveis na faixa de 1–2 MHz.

Estratégia de Amostragem

A placa usa um oscilador MEMS com estabilidade ±50 ppm. Firmware gera clock de referência de 500 kHz para o DAC via Array de Contador Programável (PCA).

Configuração realizada com utilitário Silicon Labs Config2, pois C8051F360 não é suportado pela ferramenta embutida do Simplicity Studio.

Principais configurações PCA:

/* PCA habilitado; base de tempo definida para clock do sistema (10 MHz) */
PCA0MD = 0x01; // Habilita PCA
PCA0CPM0 = 0x40; // Modo timer, edge-triggered
PCA0CPH0 = 0x00; // High byte do valor de comparação
PCA0CPL0 = 0x01; // Low byte do valor de comparação (500 kHz)

Medição com osciloscópio Tektronix MDO3104 confirma clock de 500 kHz com duty cycle 50%. Desvio padrão de frequência é 13,54 Hz (0,0027%) e duty cycle é 2,117 × 10⁻³ (0,0042%). Análise de histograma mostra jitter negligenciável.

Sincronizando Atualizações de Dados

Para alinhar atualizações do DAC com o clock, a borda de descida da onda quadrada de 500 kHz dispara /INT0. O DAC trava dados na borda de subida, então atualizar na borda de descida garante dados estáveis.

Interrupção externa 0 configurada no pino P0.7, sensível a borda de descida, e prioridade mais alta.

Rotina de Serviço de Interrupção

Toda transferência de dados ocorre dentro da ISR /INT0. Rotina mínima mantém processador livre para outras tarefas:

SI_INTERRUPT(INT0_ISR, INT0_IRQn) {
    DAC_WORD--;
}

Aqui, DAC_WORD é um alias #define para porta P2. A única instrução de decremento produz rampa linear que vai de 0 a 255, gerando forma de onda dente de serra. O amplificador inversor de saída do DAC inverte a tensão, então a rampa analógica parece aumentar.

Verificação

Rodando o firmware produz rampa limpa. Traço de osciloscópio mostra rampa estável de 1 kHz com amplitude pico-a-pico de 5 V, confirmando temporização e manipulação de dados corretas.

Testes adicionais com taxas de amostragem maiores (até 10 MHz) demonstram capacidade da placa de gerar formas de onda multi-MHz mantendo MCU ocupado com outras tarefas.

Para mergulhos mais profundos no esquemático, seleção de componentes e layout de PCB, veja posts companheiros desta série.

Pronto para construir seu próprio AWG de alta precisão? Baixe o fonte, comece a codificar, e deixe o firmware levar o próximo nível de fidelidade de sinal.