Najjednostavniji digitalno-analogni pretvarač (DAC) je jednobitni pretvarač. Kao takav DAC može poslužiti jednostavno ograničavajuće pojačalo, koje se može koristiti kao. CMOS tehnologija je posebno pogodna, jer su u ovoj tehnologiji izlazne struje od jedan i nula jednake. takav digitalno-analogni pretvarač prikazan je na slici 1.
Slika 1. Šematski dijagram jednobitnog digitalno-analognog pretvarača (DAC)
Jednobitni DAC pretvara znak broja u analogni oblik. Za digitalno-analognu konverziju pri vrlo visokoj stopi uzorkovanja, višestruko većoj od Kotelnikove frekvencije, takav pretvarač je sasvim dovoljan, međutim, u većini slučajeva potreban je veći broj bitova za visokokvalitetni digitalno-na- analogna konverzija. Poznato je da se binarni broj opisuje sljedećom formulom:
(1)Da biste digitalni binarni kod pretvorili u napon, ovu formulu možete koristiti direktno, odnosno koristiti analogni sabirač. Struje će se podesiti pomoću otpornika. Ako se otpornici dvaput razlikuju jedan od drugog, tada će i struje poštovati binarni zakon, kao što je prikazano u formuli (1). Ako je logička jedinica prisutna na izlazu registra, onda će se pomoću otpornika pretvoriti u struju koja odgovara binarnoj znamenki. U ovom slučaju, napon će raditi kao digitalno-analogni pretvarač. Shema rada DAC-a prema opisanom principu prikazana je na slici 2.
Slika 2. Šematski dijagram četvorobitnog digitalno-analognog pretvarača sa zbirom težinskih struja
U kolu prikazanom na slici 2, potencijal drugog izlaza je nula. Ovo se postiže paralelnom negativnom povratnom spregom, koja smanjuje ulaznu impedanciju operativnog pojačala. Koeficijent prijenosa se bira pomoću otpornika spojenog sa izlaza na ulaz operacionog pojačala. Ako je potreban jedinični dobitak, tada ovaj otpor mora biti jednak paralelnom otporu svih otpornika povezanih na izlazima paralelnog registra. U opisanom uređaju struja nižeg reda bit će osam puta manja od struje visokog reda. Da bi se smanjio utjecaj ulaznih struja pravog operacionog pojačala, između njegovog neinvertirajućeg ulaza i zajedničke žice spojen je otpornik s otporom jednakim paralelnom spoju svih ostalih otpornika.
S obzirom da na izlazu svih bitova registra postoji ili nulti napon ili jednak naponu napajanja, napon na izlazu operacionog pojačala će raditi u rasponu od nula do minusa napona napajanja. Ovo nije uvijek zgodno. Ako želite da uređaj radi iz jednog izvora napajanja, onda ga morate malo promijeniti. Da bismo to učinili, primjenjujemo napon jednak polovini napajanja na neinvertirajući ulaz operativnog pojačala. Može se dobiti od otpornog djelitelja napona. Nulta struja i jedinična struja izlaznog stepena registra u novom kolu moraju se podudarati. Tada će na izlazu operativnog pojačala napon varirati u rasponu od nule do napona napajanja. Dijagram digitalno-analognog pretvarača s jednim napajanjem prikazan je na slici 3.
Slika 3. D/A konvertor sa jednim napajanjem
U kolu prikazanom na slici 3, stabilnost izlazne struje i napona je osigurana stabilnošću napona napajanja paralelnog registra. Međutim, obično je napon napajanja digitalnih kola vrlo bučan. Ovaj šum će također biti prisutan u izlaznom signalu. U višebitnom digitalno-analognom pretvaraču to je nepoželjno, pa se njegovi izlazni ključevi napajaju visoko stabilnim niskim nivoom šuma. Trenutno takva mikro kola proizvode brojne kompanije. Primjeri uključuju ADR4520 od Analog Devices ili MAX6220_25 od Maxim Integrated.
U proizvodnji višebitnih digitalno-analognih pretvarača neophodna je proizvodnja otpornika visoke preciznosti. Ranije se to postizalo laserskim trim otpornicima. Trenutno se kao izvori struje obično koriste ne otpornici, već strujni generatori zasnovani na tranzistorima sa efektom polja. Upotreba tranzistora sa efektom polja može značajno smanjiti veličinu DAC čipa. U ovom slučaju, da bi se povećala struja, tranzistori su povezani paralelno. Ovo omogućava postizanje visoke tačnosti korespondencije struja binarnom zakonu ( i 0 , 2i 0 , 4i 0 , 8i 0, itd.). Velika brzina konverzije postiže se niskim otporom opterećenja. Šema digitalnog kodnog pretvarača na izlaznu struju, koji radi po opisanom principu, prikazana je na slici 4.
Slika 4. Unutrašnje kolo DAC-a sa zbrajanjem struje
Naravno, elektronski ključevi prikazani na slici 4 su takođe tranzistori sa efektom polja. Međutim, ako ih pokažete na dijagramu, možete se zbuniti gdje je ključ, a gdje trenutni generator. Budući da tranzistor sa efektom polja može istovremeno raditi kao generator struje i elektronski ključ, oni se često kombinuju, a binarni zakon se formira pomoću, kao što je prikazano na slici 5.
Slika 5. Unutrašnje kolo DAC-a sa zbirom identičnih struja
Primjer IC-a koji koristi rješenje trenutne sume je AD7945 DAC. U njemu se zbir struja koristi za formiranje najznačajnijih bitova. Za rad sa ciframa nižeg reda, . Operativno pojačalo se obično koristi za pretvaranje izlazne struje u napon, ali njegova brzina napona ima značajan utjecaj na brzinu digitalno-analognog pretvarača u cjelini. Stoga se op-amp DAC kolo koristi samo u aplikacijama s velikim propusnim opsegom kao što je konverzija audio ili televizijskog signala.
Slika 6. Digitalno-analogni pretvarač binarni kod-napon
književnost:
Uz članak "Digitalno-analogni pretvarači (DAC) sa zbrajanjem struja" stoji:
http://website/digital/R2R/
http://website/digital/sigmaadc.php
Ovaj članak razmatra glavna pitanja vezana za princip rada ADC-ova različitih tipova. Istovremeno, neki važni teorijski proračuni koji se tiču matematičkog opisa analogno-digitalne konverzije ostali su izvan okvira članka, ali su date veze na kojima zainteresovani čitalac može pronaći dublje razmatranje teorijskih aspekata rada ADC-a. . Stoga se članak više bavi razumijevanjem općih principa funkcionisanja ADC-a nego teorijskom analizom njihovog rada.
Uvod
Kao početnu tačku, definirajmo analogno-digitalnu konverziju. Analogno-digitalna konverzija je proces pretvaranja ulazne fizičke veličine u njen numerički prikaz. Analogno-digitalni pretvarač je uređaj koji obavlja takvu konverziju. Formalno, ulazna vrijednost ADC-a može biti bilo koja fizička veličina - napon, struja, otpor, kapacitivnost, brzina ponavljanja impulsa, ugao rotacije osovine itd. Međutim, radi definicije, u budućnosti ćemo pod ADC-om podrazumijevati samo pretvarače napon-kod.
Koncept analogno-digitalne konverzije usko je povezan s konceptom mjerenja. Mjerenje se podrazumijeva kao proces poređenja izmjerene vrijednosti sa određenim standardom; tokom analogno-digitalne konverzije, ulazna vrijednost se poredi sa određenom referentnom vrijednošću (obično, sa referentnim naponom). Dakle, analogno-digitalna konverzija se može smatrati mjerenjem vrijednosti ulaznog signala i na nju se primjenjuju svi pojmovi mjeriteljstva, kao što su greške mjerenja.
Glavne karakteristike ADC-a
ADC ima mnogo karakteristika, od kojih se frekvencija konverzije i dubina bita mogu nazvati glavnim. Frekvencija konverzije se obično izražava u uzorcima u sekundi (SPS), dubina bita je u bitovima. Moderni ADC mogu imati bitnu dubinu do 24 bita i stopu konverzije do GSPS jedinica (naravno, ne istovremeno). Što je veća brzina i dubina bita, to je teže dobiti tražene karakteristike, skuplji je i složeniji pretvarač. Brzina konverzije i dubina bita su međusobno povezane na određeni način, a efektivnu dubinu bita konverzije možemo povećati žrtvovanjem brzine.
ADC tipovi
Postoji mnogo vrsta ADC-a, ali u ovom članku ćemo se ograničiti na razmatranje samo sljedećih tipova:
- Paralelna konverzija ADC (direktna konverzija, flash ADC)
- ADC sukcesivne aproksimacije (SAR ADC)
- delta-sigma ADC (uravnoteženi ADC)
ADC direktne (paralelne) konverzije imaju najveće performanse i najmanju dubinu bita. Na primjer, TLC5540 ADC za paralelnu konverziju iz Texas Instruments ima brzinu od 40MSPS sa širinom bita od samo 8 bita. ADC-ovi ovog tipa mogu imati stope konverzije do 1 GSPS. Ovdje se može primijetiti da cjevovodni ADC-i (pipelined ADC-ovi) imaju još veću brzinu, međutim, oni su kombinacija nekoliko ADC-a sa manjom brzinom i njihovo razmatranje je izvan okvira ovog članka.
Srednju nišu u seriji bit-speed zauzimaju uzastopni aproksimacijski ADC. Tipične vrijednosti su 12-18 bita sa stopom konverzije od 100KSPS-1MSPS.
Najveću preciznost postižu sigma-delta ADC sa dubinom bita do uključujući 24 bita i brzinom od SPS jedinica do KSPS jedinica.
Drugi tip ADC-a koji je pronašao upotrebu u nedavnoj prošlosti je integrirajući ADC. Integrirajući ADC-ovi su sada gotovo u potpunosti zamijenjeni drugim tipovima ADC-a, ali se mogu naći u starijim mjernim instrumentima.
ADC s direktnom konverzijom
ADC s direktnom konverzijom postali su široko rasprostranjeni 1960-ih i 1970-ih, a počeli su se proizvoditi kao integrirana kola 1980-ih. Često se koriste kao dio "konstruiranih" ADC-a (koji se ne razmatraju u ovom članku) i imaju kapacitet od 6-8 bita pri brzini do 1 GSPS.
Arhitektura ADC direktne konverzije prikazana je na sl. jedan
Rice. 1. Strukturni dijagram ADC direktne konverzije
Princip rada ADC-a je krajnje jednostavan: ulazni signal se istovremeno dovodi na sve "pozitivne" ulaze komparatora, a "negativni" ulazi se napajaju nizom napona dobijenih iz referentne dijeljenjem otpornicima R. Za kolo na sl. 1 ovaj red će biti: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, gdje je Uref referentni napon ADC-a.
Neka se na ulaz ADC-a dovede napon jednak 1/2 Uref. Tada će prva 4 komparatora raditi (ako računate odozdo), a logički će se pojaviti na njihovim izlazima. Prioritetni koder će formirati binarni kod iz "kolone" jedinica, koji je fiksiran izlaznim registrom.
Sada postaju jasne prednosti i nedostaci takvog pretvarača. Svi komparatori rade paralelno, vrijeme kašnjenja kola je jednako vremenu kašnjenja u jednom komparatoru plus vremenu kašnjenja u enkoderu. Komparator i enkoder se mogu napraviti vrlo brzo, a kao rezultat, cijeli sklop ima vrlo veliku brzinu.
Ali da biste dobili N bitova, potrebno vam je 2^N komparatora (a složenost enkodera takođe raste kao 2^N). Šema na sl. 1. sadrži 8 komparatora i ima 3 bita, da biste dobili 8 bita potrebno vam je 256 komparatora, za 10 bita - 1024 komparatora, za 24-bitni ADC bi im trebalo više od 16 miliona. Međutim, tehnologija još nije dostigla takve visine.
uzastopna aproksimacija ADC
Analogno-digitalni pretvarač sukcesivnog aproksimacionog registra (SAR) mjeri veličinu ulaznog signala izvodeći niz uzastopnih "pondera", odnosno poređenja veličine ulaznog napona sa nizom veličina generiranih na sljedeći način:
1. U prvom koraku se na izlazu ugrađenog digitalno-analognog pretvarača postavlja vrijednost jednaka 1/2Uref (u daljem tekstu pretpostavljamo da je signal u intervalu (0 - Uref).
2. ako je signal veći od ove vrijednosti, onda se upoređuje sa naponom koji leži u sredini preostalog intervala, odnosno u ovom slučaju 3/4Uref. Ako je signal manji od postavljenog nivoa, tada će se sljedeće poređenje napraviti sa manje od polovine preostalog intervala (tj. sa nivoom 1/4Uref).
3. Korak 2 se ponavlja N puta. Dakle, N poređenja ("ponderisanja") generišu N bitova rezultata.
Rice. 2. Strukturni dijagram uzastopnog aproksimacionog ADC-a.
Dakle, uzastopna aproksimacija ADC se sastoji od sljedećih čvorova:
1. Komparator. On upoređuje ulaznu vrijednost i trenutnu vrijednost napona “težine” (označeno trouglom na slici 2).
2. Digitalno-analogni pretvarač (Digitalno-analogni pretvarač, DAC). Generiše „ponderisanu“ vrednost napona na osnovu digitalnog koda primljenog na ulaz.
3. Registar sukcesivne aproksimacije (SAR). On implementira algoritam uzastopne aproksimacije, generirajući trenutnu vrijednost koda koji se unosi na ulaz DAC-a. Čitava ADC arhitektura je nazvana po svom imenu.
4. Šema zadržavanja uzorka (Sample/Hold, S/H). Za rad ovog ADC-a, fundamentalno je važno da ulazni napon ostane konstantan tokom cijelog ciklusa konverzije. Međutim, "pravi" signali se vremenom mijenjaju. Krug uzorkovanja i zadržavanja "pamti" trenutnu vrijednost analognog signala i održava je nepromijenjenom tokom cijelog ciklusa uređaja.
Prednost uređaja je relativno velika brzina konverzije: vrijeme konverzije N-bitnog ADC-a je N ciklusa. Preciznost konverzije ograničena je preciznošću internog DAC-a i može biti 16-18 bita (sada su se počeli pojavljivati 24-bitni ADC SAR-ovi, na primjer, AD7766 i AD7767).
Delta Sigma ADC
Konačno, najzanimljiviji tip ADC-a je sigma-delta ADC, koji se u literaturi ponekad naziva i balansirani ADC. Blok dijagram sigma-delta ADC-a je prikazan na sl. 3.
Fig.3. Strukturni dijagram sigma-delta ADC-a.
Princip rada ovog ADC-a je nešto složeniji nego kod drugih tipova ADC-a. Njegova suština je da se ulazni napon upoređuje sa vrijednošću napona koju akumulira integrator. Impulsi pozitivnog ili negativnog polariteta se unose na ulaz integratora, ovisno o rezultatu poređenja. Dakle, ovaj ADC je jednostavan sistem za praćenje: napon na izlazu integratora „prati“ ulazni napon (slika 4). Rezultat ovog kola je tok nula i jedinica na izlazu komparatora, koji se zatim propušta kroz digitalni niskopropusni filter, što rezultira N-bitnim rezultatom. LPF na sl. 3. U kombinaciji sa "decimatorom", uređajem koji smanjuje učestalost očitavanja tako što ih "prorjeđuje".
Rice. 4. Sigma-delta ADC kao sistem za praćenje
Radi strogosti, mora se reći da na Sl. Slika 3 je blok dijagram sigma-delta ADC-a prvog reda. Sigma-delta ADC drugog reda ima dva integratora i dvije povratne petlje, ali o tome ovdje nećemo govoriti. Zainteresovani za ovu temu mogu se obratiti.
Na sl. 5 prikazuje signale u ADC-u na nultom nivou na ulazu (gore) i na nivou Vref / 2 (dole).
Rice. 5. Signali u ADC-u na različitim nivoima signala na ulazu.
Sada, ne ulazeći u složenu matematičku analizu, pokušajmo da shvatimo zašto sigma-delta ADC-ovi imaju veoma nizak nivo sopstvenog šuma.
Razmotrite blok dijagram sigma-delta modulatora prikazanog na sl. 3, i predstavite ga u ovom obliku (slika 6):
Rice. 6. Strukturni dijagram sigma-delta modulatora
Ovdje je komparator predstavljen kao sabirač koji sabira kontinuirani korisni signal i šum kvantizacije.
Neka integrator ima prijenosnu funkciju 1/s. Zatim, predstavljajući korisni signal kao X(s), izlaz sigma-delta modulatora kao Y(s), a šum kvantizacije kao E(s), dobijamo funkciju prijenosa ADC-a:
Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)
To jest, u stvari, sigma-delta modulator je niskopropusni filter (1/(s+1)) za korisni signal i visokopropusni filter (s/(s+1)) za šum, oba filteri koji imaju istu graničnu frekvenciju. Šum koncentrisan u visokofrekventnom području spektra lako se uklanja digitalnim niskopropusnim filterom, koji se nalazi iza modulatora.
Rice. 7. Fenomen "pomeranja" šuma u visokofrekventnom delu spektra
Međutim, treba shvatiti da je ovo krajnje pojednostavljeno objašnjenje oblikovanja šuma u sigma-delta ADC-u.
Dakle, glavna prednost sigma-delta ADC-a je visoka tačnost, zbog izuzetno niskog nivoa unutrašnjeg šuma. Međutim, da bi se postigla visoka tačnost, potrebno je da granična frekvencija digitalnog filtera bude što niža, višestruko manja od frekvencije sigma-delta modulatora. Stoga, sigma-delta ADC-ovi imaju nisku stopu konverzije.
Mogu se koristiti u audio tehnologiji, ali glavna upotreba je u industrijskoj automatizaciji za pretvaranje senzorskih signala, u mjernim instrumentima i u drugim aplikacijama gdje je potrebna visoka preciznost. ali nije potrebna velika brzina.
Malo istorije
Najstarija referenca ADC-a u istoriji je vjerovatno patent Paula M. Raineyja, "Faksimilni telegrafski sistem", U.S. Patent 1,608,527, zaveden 20. jula 1921., izdat 30. novembra 1926. Uređaj prikazan u patentu je zapravo 5-bitni ADC s direktnom konverzijom.
Rice. 8. Prvi ADC patent
Rice. 9. ADC s direktnom konverzijom (1975.)
Uređaj prikazan na slici je ADC s direktnom konverzijom MOD-4100 proizvođača Computer Labs, proizveden 1975. godine, sastavljen na bazi diskretnih komparatora. Postoji 16 komparatora (locirani su u polukrugu kako bi se izjednačilo kašnjenje širenja signala svakom komparatoru), stoga ADC ima kapacitet od samo 4 bita. Brzina konverzije 100 MSPS, potrošnja energije 14 vati.
Sljedeća slika prikazuje naprednu verziju ADC-a za direktnu konverziju.
Rice. 10. ADC s direktnom konverzijom (1970)
VHS-630 iz 1970. godine, koji je proizvodila Computer Labs, imao je 64 komparatora, bio je 6-bitni, 30 MSPS i trošio je 100 vati (1975. VHS-675 je imao 75 MSPS i trošio 130 vati).
Književnost
W. Kester. ADC Architectures I: Flash Converter. Analogni uređaji, MT-020 Tutorial.
Aplikacija
DAC se koristi kad god je potrebno pretvoriti signal iz digitalnog prikaza u analogni, na primjer, u CD playerima (Audio CD).
DAC tipovi
Najčešći tipovi elektronskih DAC-ova su:
- Modulator širine impulsa- najjednostavniji tip DAC-a. Stabilni izvor struje ili napona se periodično uključuje na vrijeme proporcionalno konvertovanom digitalnom kodu, a zatim se rezultujuća impulsna sekvenca filtrira pomoću analognog niskopropusnog filtera. Ova metoda se često koristi za kontrolu brzine električnih motora, a također postaje popularna u hi-fi audio tehnologiji;
- DAC oversampling, kao što je delta-sigma DAC, zasnovani su na promjenjivoj gustoći impulsa. Prekomerno uzorkovanje vam omogućava da koristite DAC sa manjom dubinom bita da biste postigli veću dubinu bita konačne konverzije; često je delta-sigma DAC izgrađen oko najjednostavnijeg jednobitnog DAC-a koji je skoro linearan. DAC malog kapaciteta prima impulsni signal od modulisana gustina impulsa(sa konstantnom širinom impulsa, ali sa promjenjivim ciklusom rada), kreiran korištenjem negativne povratne sprege. Negativna povratna sprega djeluje kao visokopropusni filter za šum kvantizacije.
- Tip vaganja DAC, u kojem svaki bit konvertovanog binarnog koda odgovara otporniku ili izvoru struje spojenom na zajedničku tačku sumiranja. Jačina struje izvora (provodljivost otpornika) proporcionalna je težini bita kojem odgovara. Dakle, svi bitovi koda različiti od nule se dodaju težini. Metoda ponderiranja je jedna od najbržih, ali je karakterizira niska preciznost zbog potrebe za skupom mnogo različitih preciznih izvora ili otpornika i nekonstantne impedancije. Iz tog razloga, ponderi DAC-ovi su ograničeni na osam bita;
- Ladder DAC(lančana R-2R-šema). U R-2R-DAC, vrijednosti se kreiraju u posebnom kolu koje se sastoji od otpornika s otporima R i 2R, nazvana matrica konstantne impedancije, koja ima dva tipa uključivanja: direktnu - matrica struja i inverzna - matrica napona. Upotreba istih otpornika može značajno poboljšati tačnost u poređenju sa konvencionalnim DAC-om za ponderisanje, budući da je relativno lako proizvesti set preciznih elemenata sa istim parametrima. DAC tipa R-2R vam omogućava da pomerite granice kapaciteta bitova. Sa laserskim reznim otpornicima na jednoj podlozi postiže se tačnost od 20-22 bita. Većina vremena konverzije se provodi u operacionom pojačalu, tako da mora imati maksimalne performanse. Brzina DAC jedinice mikrosekundi i ispod (odnosno nanosekunde);
Karakteristike
DAC-ovi se nalaze na početku analogne putanje bilo kojeg sistema, tako da parametri DAC-a u velikoj mjeri određuju parametre cijelog sistema u cjelini. Najvažnije karakteristike DAC-a su navedene u nastavku.
- Maksimalna brzina uzorkovanja- maksimalna frekvencija na kojoj DAC može raditi, dajući ispravan rezultat na izlazu. U skladu sa Nyquist-Shannonovom teoremom (također poznatom kao Kotelnikova teorema), za ispravnu reprodukciju analognog signala iz digitalne forme, potrebno je da frekvencija uzorkovanja bude najmanje dvostruko veća od maksimalne frekvencije u spektru signala. Na primjer, za reprodukciju cijelog opsega audio frekvencija koje se čuje čovjek, čiji se spektar proteže do 20 kHz, potrebno je da se audio signal uzorkuje na frekvenciji od najmanje 40 kHz. Audio CD standard navodi brzinu uzorkovanja zvuka od 44,1 kHz; da biste reproducirali ovaj signal, trebat će vam DAC koji može raditi na ovoj frekvenciji. Kod jeftinih kompjuterskih zvučnih kartica, brzina uzorkovanja je 48 kHz. Signali uzorkovani na drugim frekvencijama su preduzorkovani do 48 kHz, što djelimično degradira kvalitet signala.
- Monotona- svojstvo DAC-a da povećava analogni izlazni signal s povećanjem ulaznog koda.
- THD+N(totalna harmonijska distorzija + šum) - mjera izobličenja i šuma koje DAC unosi u signal. Izraženo kao postotak snage harmonika i šuma u izlaznom signalu. Važan parametar za male signalne DAC aplikacije.
- Dynamic Range- omjer najvećeg i najmanjeg signala koje DAC može reproducirati, izražen u decibelima. Ovaj parametar se odnosi na dubinu bita i prag šuma.
- Statičke karakteristike:
- DNL (diferencijalna nelinearnost) - karakterizira koliko se prirast analognog signala dobivenog povećanjem koda za 1 najmanji značajan bit (LSD) razlikuje od ispravne vrijednosti;
- INL (integralna nelinearnost) - karakterizira kako se prijenosna karakteristika DAC-a razlikuje od idealne. Idealna karakteristika je striktno linearna; INL pokazuje koliko napon na izlazu DAC-a za dati kod odstupa od linearne karakteristike; izraženo u MZR;
- dobitak;
- pristrasnost.
- Frekventne karakteristike:
- SNDR (odnos signal-šum + izobličenje) - karakteriše u decibelima odnos snage izlaznog signala prema ukupnoj snazi šuma i harmonijske distorzije;
- HDi (faktor i-tog harmonika) - karakterizira odnos i-tog harmonika prema glavnom harmoniku;
- THD (faktor harmoničke distorzije) - omjer ukupne snage svih harmonika (osim prvog) i snage prvog harmonika.
vidi takođe
Književnost
- Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivoj Nikolić. Digitalna integrirana kola. Metodologija projektovanja = Digitalna integrisana kola. - 2. izd. - M.: Williams, 2007. - 912 str. - ISBN 0-13-090996-3
- Mingliang Liu. Demistifikacija sklopovanih kondenzatorskih kola. ISBN 0-75-067907-7.
- Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. Dizajn analognog CMOS kola. ISBN 0-19-511644-5.
Linkovi
- Digitalno-analogni pretvarači (DAC), teorija i principi rada na sajtu Microelectronics Market
- D/A pretvarači za digitalnu obradu signala
- INL/DNL mjerenja za brze ADC objašnjava kako se INL i DNL izračunavaju
- Alexey Stakhov. Fibonacci Computer, dio 1, dio 2, dio 3 // PCweek.ru, 2002.
- R-2R Ladder DAC objašnjeno sadrži šeme
| Mikrokontroleri | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arhitektura |
| ||||
D/A konvertor(DAC) je uređaj koji pretvara ulazni digitalni signal (kod) u analogni.
DAC se široko koristi tamo gdje je potrebno kontrolisati analogne uređaje uz pomoć digitalnih informacija koje izdaje kompjuter, na primjer, za izvođenje pokreta ventila proporcionalno izračunatoj vrijednosti digitalnog signala. DAC se koriste za usklađivanje računara (CU) sa analognim uređajima, kao interne komponente ADC-a i digitalnih mernih instrumenata. Kao dio analogno-digitalnih pretvarača, DAC se koristi za generiranje analognog signala (strujnog ili naponskog) sa kojim se konvertovani signal upoređuje.
Glavna karakteristika DAC-a je rezolucija, određena brojem bitova n. Teoretski, DAC pretvaranje n-bitni binarni kodovi, moraju osigurati 2 n različite vrijednosti izlaznog signala s rezolucijom (2 n– 1)-1. Apsolutna vrijednost kvanta minimalnog izlaznog napona definirana je kao maksimalno primljeni broj 2 n- 1, i maksimalni izlazni napon DAC-a, koji se naziva napon skale Uškola Dakle, sa 12 bita, broj nezavisnih kvanta (koraka) izlaznog napona DAC-a je 212 - 1 = 0,0245%. Skalirajte napon odabran pomoću referentnog izvora U shk = 10V podijeljeno s ovim brojem kvanta daje apsolutnu rezoluciju DAC-a
D x = U sk/(2 n- 1) = 103 mV / (212 - 1) = 2,45 mV.
Karakteristika konverzije(HP) DAC– skup vrijednosti izlazne analogne vrijednosti xi u zavisnosti od ulaznog koda b i.
Karakteristika konverzije (ili karakteristika prenosa) DAC-a je prikazana na sl. 3.15.
Rice. 3.15. Prijenosna karakteristika DAC-a; A– linearnost; B– nelinearnost; C– nemonotonost; D– izlazni signal; E- prava linija koja povezuje idealne vrijednosti nivoa izlaznog signala; dpsh - greška pune skale
Razlika između stvarne vrijednosti rezolucije i teorijske vrijednosti je zbog grešaka čvorova i šuma DAC-a. Preciznost DAC-a određena je vrijednostima apsolutne greške uređaja, nelinearnosti i diferencijalne nelinearnosti.
Apsolutna greška dshk predstavlja odstupanje vrijednosti izlaznog napona (struje) od nominalne izračunate vrijednosti koja odgovara krajnjoj točki karakteristike konverzije (vidi sliku 3.15). Apsolutna greška se obično mjeri u jedinicama najmanje značajne cifre (LSD).
Nelinearnost dl karakterizira identičnost minimalnih prirasta izlaznog signala u cijelom rasponu konverzije i definira se kao najveće odstupanje izlaznog signala od prave linije apsolutne tačnosti povučene kroz nulu i tačku maksimalne vrijednosti izlaznog signala . Vrijednost nelinearnosti ne smije prelaziti ±0,5 LSM jedinica.
Diferencijalna nelinearnost dl.diff karakterizira identitet prirasta susjednog signala. Definira se kao minimalna razlika između greške nelinearnosti dva susjedna kvanta u izlaznom signalu. Vrijednost diferencijalne nelinearnosti ne smije prelaziti dvostruku vrijednost greške nelinearnosti. Ako je vrijednost dl.diff veća od jednog LSM-a, tada se pretvarač smatra nemonotonskim, tj. na svom izlazu, izlazni signal se ne može ravnomjerno povećavati s ravnomjernim povećanjem ulaznog koda.
Nemonotoničnost u nekim kvantima daje smanjenje izlaznog signala sa povećanjem ulaznog koda.
Instrumentalna greška, određena nestabilnošću izvora referentnog napona, greškom prekidača, otpornih matrica i izlaznih operacionih pojačala, naziva se instrumentalna greška. Glavni faktori koji uzrokuju pojavu grešaka elemenata su: tehnološka rasprostranjenost parametara; uticaj promena životne sredine (uglavnom temperatura); promjena parametara tokom vremena (starenje); izloženost spoljašnjoj i unutrašnjoj buci i smetnjama.
Sve instrumentalne greške manifestiraju se uglavnom u sljedećim oblicima:
a) nulti pomak, koji karakteriše paralelni pomak DAC prijenosne karakteristike od prosječne prave linije (uzrokovano nultim pomakom napona i nenultom ulaznom strujom op-amp, kao i preostalim parametrima prekidača);
b) promjene koeficijenta prijenosa koji karakteriziraju odstupanja strmine stvarne prijenosne karakteristike od prosječne prave;
c) odstupanja prenosne karakteristike pretvarača od idealne prave (ovakva nelinearnost transformacije se manifestuje kao neidentičnost prirasta izlaznog signala u funkciji ulaznog koda).
Dinamičke karakteristike DAC-a uključuju tajming i maksimalnu frekvenciju konverzije.
Vremenski parametri određuju brzinu pretvarača. Razlikuju se tri vremenska parametra: korak (period) kvantizacije D t, vrijeme konverzije (vrijeme uspostavljanja izlaznog signala) t npr. vrijeme ciklusa konverzije t c.
Korak (period) kvantizacije D t je vremenski interval između dvije uzastopne transformacije. Vrijednost inverzna od perioda kvantizacije 1/D t = f sq. naziva se frekvencija kvantizacije.
Vrijeme uspostavljanja DAC izlaza t pr - vrijeme od trenutka promjene koda na DAC ulazima do trenutka kada se vrijednost izlazne analogne vrijednosti razlikuje od utvrđene vrijednosti za datu vrijednost (slika 3.16).
Rice. 3.16. Definicija vremena t pr konverzija dac
Vrijeme ciklusa konverzije t ts je vrijeme između trenutka primjene ulaznog koda i izdavanja izlaznog analognog signala ( t c = t itd). Određuje se uglavnom ciklogramima i vremenskim dijagramima koji opisuju rad informaciono-računarskih uređaja i sistema sa dostupnim pretvaračima.
Maksimalna frekvencija konverzije - najveća stopa uzorkovanja pri kojoj DAC parametri odgovaraju navedenim vrijednostima.
Rad DAC-a često je praćen specifičnim prolaznim impulsima, koji su oštri vrhovi velike amplitude u izlaznom signalu, koji proizlaze iz razlike u vremenu otvaranja i zatvaranja analognih prekidača u DAC-u. Emisije se posebno manifestiraju kada umjesto nule u najznačajnijoj znamenki i jedinicama u najmanje značajnim znamenkama koda, jedinica unese najznačajniju cifru (SZR) i šifru „sve nule“ u MZR. Na primjer, ako se ulazni kod 011 ... 111 zamijeni kodom 10 ... 000, a ključ starijeg DAC-a se otvara kasnije nego što se ključevi mlađih zatvaraju, tada se izlazni signal povećava za samo jedan kvant može biti praćen pulsom amplitude 0,5 Uškola Trajanje ovog vrha odgovarat će kašnjenju u promjeni stanja tipki.
Trenutno, ovisno o vrijednostima parametara, razlikuju se precizni i brzodjelujući DAC-ovi. Precizni DAC-ovi imaju dl = 0,1% i veliku brzinu t usta = 100ns.
DAC- digitalno-analogni pretvarači - uređaji dizajnirani da konvertuju diskretni (digitalni) signal u kontinuirani (analogni) signal. Konverzija se vrši proporcionalno binarnom kodu signala.
DAC klasifikacija
Po vrsti izlaznog signala: sa strujnim i naponskim izlazom;
Po vrsti digitalnog interfejsa: sa serijskim ulazom i sa paralelnim unosom koda za unos;
Po broju DAC-ova na čipu: jednokanalni i višekanalni;
Po brzini: umjerena i velika brzina.
Glavni parametri DAC-a:
1. N - dubina bita.
2. Maksimalna izlazna struja.
4. Vrijednost referentnog napona.
5. Rezolucija.
6. Kontrolni nivoi napona (TTL ili CMOS).
7. Greške konverzije (nulta greška pomaka na izlazu, apsolutna greška konverzije, nelinearnost konverzije, diferencijalna nelinearnost). 8. Vrijeme konverzije - vremenski interval od trenutka kada je kod predstavljen (podnesen) do trenutka kada se pojavi izlazni signal.
9. Analogno vrijeme poravnanja
Glavni elementi DAC-a su:
Otporne matrice (skup razdjelnika sa određenim TCS-om, sa određenim odstupanjem od 2%, 5% ili manje) mogu se ugraditi u IC;
Ključevi (na bipolarnim ili MOSFET-ovima);
Izvor referentnog napona.
Osnovne šeme za izgradnju DAC-a.
21. ADC Opće odredbe. Frekvencija uzorkovanja. ADC klasifikacija. Princip rada paralelnog ADC-a.
Prema brzini ADC-a dijele se na:
1. ADC sa paralelnom konverzijom (paralelni ADC) su ADC-ovi velike brzine, imaju složenu hardversku upotrebu jedinica GHz. rezolucija N = 8-12 bita, Fg = desetine MHz
2. ADC uzastopne aproksimacije (sukcesivno brojanje) do 10 MHz Rezolucija N = 10-16 bita, Fg = desetine kHz
3. Integracija ADC-a stotine Hz rezolucije N = 16-24 bita, Fg = desetine
4. Sigma-delta ADC jedinice MHz rezolucije N = 16-24 bita, Fg = stotine Hz
22. ADC za serijsko brojanje. Princip rada.
23. ADC uzastopnih aproksimacija. Princip rada.
Ovaj kod sa RPP izlaza se dovodi u DAC, koji emituje odgovarajući napon 3/4Uinmax, koji se poredi sa Uin (na SS) i rezultat se upisuje u isti bit pomoću četvrtog impulsa takta. Proces se zatim nastavlja sve dok se svi bitovi ne analiziraju.
SAR ADC vrijeme konverzije:
tpr = 2nTG, gdje je TG period ponavljanja impulsa generatora; n - dubina bita ADC-a.
Ovi ADC-i su sporiji od paralelnih ADC-a, ali su jeftiniji i troše manje energije. Primjer: 1113PV1.
24. Princip rada ADC-a integracionog tipa.
Princip rada integrirajućeg ADC-a zasniva se na dva glavna principa:
1. Pretvaranje ulaznog napona u frekvenciju ili trajanje (vrijeme) impulsa
Uin → f (VFC - naponsko-frekventni pretvarač)
2. Pretvaranje frekvencije ili trajanja (vremena) u digitalni kod
f → N; T → N.
Glavnu grešku unosi VLF.
ADC-ovi ovog tipa izvode konverziju u dva stupnja.
U prvom koraku, ulazni analogni signal se integriše i ova integrisana vrednost se pretvara u niz impulsa. Brzina ponavljanja impulsa u ovoj sekvenci ili njihovo trajanje modulirano je integriranom vrijednošću ulaznog signala.
U drugoj fazi, ovaj niz impulsa se pretvara u digitalni kod - mjeri se njegova frekvencija ili trajanje impulsa.
