مبدل های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ. مبدل های مدرن دیجیتال به آنالوگ DAC

این مقاله مسائل اصلی در مورد اصل عملکرد انواع مختلف ADC ها را مورد بحث قرار می دهد. در همان زمان، برخی از محاسبات نظری مهم در مورد توصیف ریاضی تبدیل آنالوگ به دیجیتال خارج از محدوده مقاله باقی مانده است، اما پیوندهایی ارائه شده است که در آن خواننده علاقه مند می تواند بررسی عمیق تری از جنبه های نظری آن بیابد. عملکرد ADC بنابراین، مقاله بیشتر به درک اصول کلی عملکرد ADCها می پردازد تا تحلیل نظری عملکرد آنها.

معرفی

به عنوان نقطه شروع، اجازه دهید تبدیل آنالوگ به دیجیتال را تعریف کنیم. تبدیل آنالوگ به دیجیتال فرآیند تبدیل یک کمیت فیزیکی ورودی به نمایش عددی آن است. مبدل آنالوگ به دیجیتال وسیله ای است که چنین تبدیلی را انجام می دهد. به طور رسمی، مقدار ورودی ADC می تواند هر مقدار فیزیکی باشد - ولتاژ، جریان، مقاومت، ظرفیت خازنی، نرخ تکرار پالس، زاویه چرخش شفت و غیره. با این حال، برای قطعیت، در موارد زیر، منظور ما از ADC منحصرا مبدل های ولتاژ به کد است.

مفهوم تبدیل آنالوگ به دیجیتال ارتباط نزدیکی با مفهوم اندازه گیری دارد. منظور از اندازه‌گیری، فرآیند مقایسه مقدار اندازه‌گیری شده با برخی استانداردها است؛ با تبدیل آنالوگ به دیجیتال، مقدار ورودی با مقداری مرجع (معمولاً یک ولتاژ مرجع) مقایسه می‌شود. بنابراین تبدیل آنالوگ به دیجیتال را می توان به عنوان اندازه گیری مقدار سیگنال ورودی در نظر گرفت و تمام مفاهیم مترولوژی مانند خطاهای اندازه گیری در مورد آن اعمال می شود.

ویژگی های اصلی ADC

ADC دارای ویژگی های بسیاری است که اصلی ترین آنها فرکانس تبدیل و عمق بیت است. فرکانس تبدیل معمولاً بر حسب نمونه در ثانیه (SPS) و عمق بیت بر حسب بیت بیان می شود. ADC های مدرن می توانند عرض بیت تا 24 بیت و سرعت تبدیل تا واحدهای GSPS داشته باشند (البته نه در همان زمان). هرچه سرعت و ظرفیت بیت بیشتر باشد، به دست آوردن ویژگی های مورد نیاز دشوارتر است، مبدل گران تر و پیچیده تر است. سرعت تبدیل و عمق بیت به طریق خاصی با یکدیگر مرتبط هستند و می توانیم با فدا کردن سرعت، عمق بیت تبدیل موثر را افزایش دهیم.

انواع ADC ها

انواع مختلفی از ADC وجود دارد، اما برای اهداف این مقاله ما خود را به در نظر گرفتن انواع زیر محدود می کنیم:

• تبدیل موازی ADC (تبدیل مستقیم، ADC فلش)
• تقریب متوالی ADC (SAR ADC)
• دلتا سیگما ADC (ADC متعادل با شارژ)

انواع دیگری از ADCها نیز وجود دارد، از جمله انواع خط لوله و ترکیبی، که از چندین ADC با معماری (عموما) متفاوت تشکیل شده است. با این حال، معماری‌های ADC ذکر شده در بالا، به دلیل این واقعیت که هر معماری جایگاه خاصی را در محدوده کلی سرعت بیت اشغال می‌کند، معرف‌ترین معماری‌ها هستند.

ADCهای تبدیل مستقیم (موازی) بالاترین سرعت و کمترین عمق بیت را دارند. به عنوان مثال، تبدیل موازی ADC TLC5540 از Texas Instruments دارای سرعت 40MSPS با تنها 8 بیت است. ADC های این نوع می توانند تا 1 GSPS سرعت تبدیل داشته باشند. در اینجا می توان به این نکته اشاره کرد که ADC های خط لوله حتی سرعت بیشتری دارند، اما ترکیبی از چندین ADC با سرعت پایین تر هستند و بررسی آنها از حوصله این مقاله خارج است.

طاقچه میانی در سری های سرعت بیت توسط ADC های تقریبی متوالی اشغال شده است. مقادیر معمولی 12-18 بیت با فرکانس تبدیل 100KSPS-1MSPS هستند.

بالاترین دقت توسط ADCهای سیگما-دلتا با عرض بیت تا 24 بیت شامل و سرعت از واحدهای SPS تا واحدهای KSPS به دست می‌آید.

نوع دیگری از ADC که در گذشته اخیر مورد استفاده قرار گرفته است ADC یکپارچه کننده است. ADC های یکپارچه در حال حاضر تقریباً به طور کامل با انواع دیگر ADC جایگزین شده اند، اما می توان آنها را در ابزارهای اندازه گیری قدیمی تر یافت.

ADC تبدیل مستقیم

ADCهای تبدیل مستقیم در دهه 1960 و 1970 گسترده شدند و در دهه 1980 به عنوان مدارهای مجتمع تولید شدند. آنها اغلب به عنوان بخشی از ADC های "خط لوله" استفاده می شوند (در این مقاله مورد بحث قرار نگرفته است) و دارای ظرفیت 6-8 بیت با سرعت حداکثر 1 GSPS هستند.

معماری ADC تبدیل مستقیم در شکل نشان داده شده است. 1

برنج. 1. بلوک دیاگرام ADC تبدیل مستقیم

اصل عملکرد ADC بسیار ساده است: سیگنال ورودی به طور همزمان به تمام ورودی های "مثبت" مقایسه کننده ها عرضه می شود و یک سری ولتاژ به ولتاژهای "منفی" که از ولتاژ مرجع با تقسیم آنها با مقاومت ها به دست می آیند، تامین می شود. R. برای مدار در شکل. 1 این ردیف به این صورت خواهد بود: (1/16، 3/16، 5/16، 7/16، 9/16، 11/16، 13/16) Uref، که در آن Uref ولتاژ مرجع ADC است.

اجازه دهید ولتاژی برابر با 1/2 Uref به ورودی ADC اعمال شود. سپس 4 مقایسه کننده اول کار می کنند (اگر از زیر بشمارید) و موارد منطقی در خروجی آنها ظاهر می شوند. رمزگذار اولویت یک کد باینری را از یک "ستون" تشکیل می دهد که در رجیستر خروجی ثبت می شود.

اکنون مزایا و معایب چنین مبدلی مشخص می شود. همه مقایسه کننده ها به صورت موازی کار می کنند، زمان تاخیر مدار برابر است با زمان تاخیر در یک مقایسه کننده به اضافه زمان تاخیر در رمزگذار. مقایسه کننده و رمزگذار را می توان بسیار سریع ساخت، در نتیجه کل مدار عملکرد بسیار بالایی دارد.

اما برای به دست آوردن N بیت، به مقایسه کننده های 2^N نیاز است (و پیچیدگی رمزگذار نیز به اندازه 2^N افزایش می یابد). طرح در شکل 1. شامل 8 مقایسه کننده و دارای 3 بیت است، برای به دست آوردن 8 بیت به 256 مقایسه کننده نیاز دارید، برای 10 بیت - 1024 مقایسه کننده، برای ADC 24 بیتی آنها به بیش از 16 میلیون نیاز دارند.

تقریب متوالی ADC

یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ثبت تقریب متوالی (SAR) بزرگی سیگنال ورودی را با انجام یک سری "وزن دهی" متوالی اندازه گیری می کند، یعنی مقایسه مقدار ولتاژ ورودی با یک سری مقادیر تولید شده به شرح زیر:

1. در مرحله اول، خروجی مبدل دیجیتال به آنالوگ داخلی مقداری برابر با 1/2Uref تنظیم می شود (از این پس فرض می کنیم که سیگنال در بازه (0 – Uref) باشد.

2. اگر سیگنال بزرگتر از این مقدار باشد، آنگاه با ولتاژی که در وسط بازه باقیمانده قرار دارد، مقایسه می شود، یعنی در این مورد، 3/4Uref. اگر سیگنال کمتر از سطح تنظیم شده باشد، مقایسه بعدی با کمتر از نیمی از بازه باقیمانده (یعنی با سطح 1/4Uref) انجام می شود.

3. مرحله 2 N بار تکرار می شود. بنابراین، مقایسه N ("وزنینگ") N بیت از نتیجه را تولید می کند.

برنج. 2. بلوک دیاگرام یک ADC تقریبی متوالی.

بنابراین، تقریب متوالی ADC از گره های زیر تشکیل شده است:

1. مقایسه کننده. این مقدار ورودی و مقدار جریان ولتاژ "وزنینگ" را مقایسه می کند (در شکل 2 که با یک مثلث نشان داده شده است).

2. مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC). این یک "وزن" ولتاژ بر اساس کد دیجیتال دریافت شده در ورودی تولید می کند.

3. ثبت تقریب متوالی (SAR). این یک الگوریتم تقریب متوالی را پیاده‌سازی می‌کند و مقدار فعلی کدی که به ورودی DAC داده می‌شود را تولید می‌کند. کل معماری ADC به نام آن نامگذاری شده است.

4. طرح نمونه/نگهداری (Sample/Hold, S/H). برای عملکرد این ADC، مهم است که ولتاژ ورودی در طول چرخه تبدیل ثابت بماند. با این حال، سیگنال های "واقعی" در طول زمان تغییر می کنند. مدار نمونه برداری و نگه داشتن مقدار فعلی سیگنال آنالوگ را "به خاطر می آورد" و آن را در کل چرخه عملکرد دستگاه بدون تغییر نگه می دارد.

مزیت دستگاه سرعت تبدیل نسبتاً بالا است: زمان تبدیل یک ADC N بیتی N سیکل ساعت است. دقت تبدیل توسط دقت DAC داخلی محدود شده است و می تواند 16-18 بیت باشد (مثلاً AD7766 و AD7767 ADCهای 24 بیتی SAR اکنون ظاهر می شوند).

دلتا سیگما ADC

در نهایت، جالب‌ترین نوع ADC سیگما-دلتا ADC است که گاهی اوقات در ادبیات ADC متعادل با شارژ نامیده می‌شود. بلوک دیاگرام ADC سیگما دلتا در شکل نشان داده شده است. 3.

شکل 3. بلوک دیاگرام یک ADC سیگما دلتا.

اصل عملکرد این ADC تا حدودی پیچیده تر از سایر انواع ADC است. ماهیت آن این است که ولتاژ ورودی با مقدار ولتاژ انباشته شده توسط یکپارچه مقایسه می شود. بسته به نتیجه مقایسه، پالس های قطب مثبت یا منفی به ورودی یکپارچه کننده عرضه می شود. بنابراین، این ADC یک سیستم ردیابی ساده است: ولتاژ در خروجی یکپارچه کننده ولتاژ ورودی را "ردیابی" می کند (شکل 4). نتیجه این مدار یک جریان صفر و یک در خروجی مقایسه کننده است که سپس از یک فیلتر پایین گذر دیجیتال عبور داده می شود و نتیجه N-bit است. LPF در شکل 3. همراه با «دسیماتور»، دستگاهی که با «از بین بردن» آنها، فرکانس قرائت ها را کاهش می دهد.

برنج. 4. Sigma-delta ADC به عنوان یک سیستم ردیابی

برای دقت در ارائه، باید گفت که در شکل 1. شکل 3 بلوک دیاگرام یک سیگما-دلتا ADC مرتبه اول را نشان می دهد. مرتبه دوم sigma-delta ADC دارای دو انتگرالگر و دو حلقه بازخورد است، اما در اینجا مورد بحث قرار نخواهد گرفت. علاقه مندان به این موضوع می توانند مراجعه کنند.

در شکل شکل 5 سیگنال های موجود در ADC را در سطح ورودی صفر (بالا) و در سطح Vref/2 (پایین) نشان می دهد.

برنج. 5. سیگنال ها در ADC در سطوح سیگنال ورودی مختلف.

حال، بدون پرداختن به تجزیه و تحلیل پیچیده ریاضی، بیایید سعی کنیم بفهمیم چرا ADC های سیگما-دلتا دارای کف صدای بسیار کم هستند.

بیایید بلوک دیاگرام مدولاتور سیگما-دلتا نشان داده شده در شکل را در نظر بگیریم. 3، و آن را به این شکل ارائه دهید (شکل 6):

برنج. 6. بلوک دیاگرام یک مدولاتور سیگما-دلتا

در اینجا مقایسه کننده به عنوان یک جمع کننده نمایش داده می شود که سیگنال مورد نظر پیوسته و نویز کوانتیزاسیون را اضافه می کند.

اجازه دهید انتگرالگر یک تابع انتقال 1/s داشته باشد. سپس، با نشان دادن سیگنال مفید به عنوان X(s)، خروجی مدولاتور سیگما مثلث به عنوان Y(s)، و نویز کوانتیزاسیون به صورت E(s)، تابع انتقال ADC را به دست می آوریم:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

یعنی در واقع، مدولاتور سیگما-دلتا یک فیلتر پایین گذر (1/(s+1)) برای سیگنال مفید و یک فیلتر بالا گذر (s/(s+1)) برای نویز است، هر دو. فیلترهایی که فرکانس قطع یکسانی دارند. نویز متمرکز در ناحیه فرکانس بالا طیف به راحتی توسط یک فیلتر پایین گذر دیجیتال که بعد از مدولاتور قرار دارد حذف می شود.

برنج. 7. پدیده "جابجایی" نویز به قسمت فرکانس بالا از طیف

با این حال، باید درک کرد که این یک توضیح بسیار ساده از پدیده شکل دهی نویز در یک ADC سیگما-دلتا است.

بنابراین، مزیت اصلی سیگما-دلتا ADC دقت بالای آن است که به دلیل سطح بسیار پایین نویز خود است. با این حال، برای دستیابی به دقت بالا، لازم است فرکانس قطع فیلتر دیجیتال تا حد امکان پایین باشد، چندین برابر فرکانس کاری مدولاتور سیگما-دلتا. بنابراین ADC های سیگما دلتا سرعت تبدیل پایینی دارند.

آنها را می توان در مهندسی صدا استفاده کرد، اما کاربرد اصلی آنها در اتوماسیون صنعتی برای تبدیل سیگنال های حسگر، در ابزارهای اندازه گیری و در سایر کاربردهایی است که دقت بالایی لازم است. اما سرعت بالا لازم نیست.

کمی تاریخچه

قدیمی ترین ذکر شده از ADC در تاریخ احتمالاً حق اختراع پل ام. رینی، "سیستم تلگراف فکس"، ایالات متحده است. پتنت 1,608,527، ثبت شده در 20 ژوئیه 1921، صادر شده در 30 نوامبر 1926. دستگاهی که در پتنت نشان داده شده است در واقع یک ADC تبدیل مستقیم 5 بیتی است.

برنج. 8. اولین اختراع برای ADC

برنج. 9. تبدیل مستقیم ADC (1975)

دستگاه نشان داده شده در شکل یک ADC MOD-4100 تبدیل مستقیم است که توسط آزمایشگاه های کامپیوتری ساخته شده و در سال 1975 ساخته شده است و با استفاده از مقایسه کننده های گسسته مونتاژ شده است. 16 مقایسه کننده وجود دارد (آنها در یک نیم دایره قرار دارند تا تأخیر انتشار سیگنال را به هر مقایسه کننده یکسان کنند)، بنابراین عرض ADC تنها 4 بیت است. سرعت تبدیل 100 MSPS مصرف برق 14 وات.

شکل زیر یک نسخه پیشرفته از ADC تبدیل مستقیم را نشان می دهد.

برنج. 10. تبدیل مستقیم ADC (1970)

VHS-630 1970، تولید شده توسط آزمایشگاه های کامپیوتری، حاوی 64 مقایسه کننده، 6 بیتی، 30 MSPS، و مصرف 100 وات (نسخه 1975 VHS-675 دارای 75 MSPS و مصرف 130 وات بود).

ادبیات

دبلیو کستر. ADC Architectures I: The Flash Converter. دستگاه های آنالوگ، آموزش MT-020.

گاهی اوقات به نظر می رسد که دنیای دیجیتال تقریباً به طور کامل با دنیای واقعی ادغام می شود. اما با وجود ظهور سیستم هایی مانند "gigaFLOPS"، "22 نانومتر" و بسیاری دیگر، دنیای واقعی سرسختانه آنالوگ باقی می ماند و نه دیجیتال، و ما هنوز باید با سیستم های دیجیتال خود کار کنیم، سیستم هایی که تقریباً در همه جای دنیای مدرن وجود دارند. .

مبدل دیجیتال به آنالوگ DAC سیگنال ورودی دیجیتال را به سیگنال خروجی آنالوگ تبدیل می کند. تعریف "دقت" ممکن است متفاوت باشد (بسته به سازنده)، اما ما مبدل های دیجیتال به آنالوگ را با وضوح 8 تا 16 بیت و سرعت تا 10 MSa/s توضیح خواهیم داد. این مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC) در سیستم های مختلف - تجهیزات صوتی و تصویری، کنترل پردازنده، ابزار دقیق، سیستم های اتوماسیون، سیستم های درایو الکتریکی و بسیاری دیگر استفاده می شود. هر سیستم برای DAC نیازمندی‌های جداگانه‌ای دارد، به عنوان مثال، وضوح، ویژگی‌های استاتیکی و دینامیکی، مصرف برق و موارد دیگر.

پارامترها و توضیحات فنی خطای افست، غیرخطی دیفرانسیل (DNL)، ​​غیرخطی انتگرال (INL) و سایر پارامترهای لازم برای اطمینان از عملکرد خوب در سیستم های DC، مانند درایو الکتریکی یا کنترل فرآیند را مشخص می کند.

برخی از برنامه ها، مانند تولید سیگنال نمایشگر، بر نیاز به عملکرد خوب AC تاکید دارند که در دیتاشیت از نظر زمان تاخیر، نویز و پهنای باند مشخص شده است. ساختن خود دستگاه با استفاده از DAC بسیار دشوارتر از انتخاب مبدل دیجیتال به آنالوگ از کاتالوگ است، زیرا علاوه بر DAC، سیستم شامل قطعات الکترونیکی بسیار بیشتری نیز خواهد بود که تأثیر آنها نیز باید در نظر گرفته شود. حساب. در زیر سعی خواهیم کرد این را در نظر بگیریم.
محتوا:

سه معماری اساسی برای DAC های دقیق

هنگام انتخاب دقت مبدل D/A برای سیستم شما، مهم است که مشخصات DAC با الزامات سیستم مطابقت داشته باشد. در مقایسه با انبوهی از معماری‌های مبدل ADC A/D، انتخاب یک مبدل D/A ممکن است کار آسانی به نظر برسد زیرا تنها سه معماری اصلی DAC وجود دارد. اما این فقط یک کار آسان به نظر می رسد، زیرا تفاوت در عملکرد هر معماری کاملاً قابل توجه است.

DAC از سه معماری اصلی استفاده می کند - رشته (سریال)، R-2R، ضرب DAC (MDAC).

مبدل رشته ای دیجیتال به آنالوگ

مفهوم مبدل رشته ای دیجیتال به آنالوگ از لرد کلوین در اواسط دهه 1800 می آید:

رمزگشای ورودی دارای چندین سوئیچ است، یکی برای هر ترکیب بیت. هر ورودی دیجیتال به تقویت کننده ولتاژ خروجی مربوطه متصل می شود.

N بیت DAC متشکل از دنباله ای از مقاومت های منطبق با 2 N و همچنین یک منبع ولتاژ در یک انتها و زمین در طرف دیگر است. یک DAC سه بیتی (تصویر بالا) به هشت مقاومت و هفت سوئیچ نیاز دارد، اما این اعداد با افزایش عمق بیت بسیار رشد می کنند و برای یک DAC 16 بیتی شما قبلاً به 65536 مقاومت نیاز دارید. این عدد حتی برای سیستم های مدرن بسیار زیاد است. برای کاهش تعداد مقاومت‌ها، از تقویت‌کننده‌های درون‌یابی و ضربه‌ای به مقاومت‌های جداگانه استفاده می‌شود.

مبدل های رشته ای یا سریال دیجیتال به آنالوگ برای اکثر کاربردهای دقیق مانند کنترل حرکت، سیستم های کنترل خودکار (در سرووها و کنترل درایو الکتریکی) کاملاً مناسب هستند.

ولتاژ خروجی DAC های رشته ای در ابتدا یکنواخت با غیرخطی دیفرانسیل خوب (DNL) است، اما غیرخطی بودن انتگرال آن (INL) خیلی خوب نیست، زیرا مستقیماً به خطای مقاومت بستگی دارد. از منظر سیستم AC، DAC های رشته ای عملکرد پایین تری نسبت به معماری های دیگر نشان می دهند، زیرا به دلیل امپدانس های مقاومت بالا، سطح نویز نسبتا بالایی دارند و ساختار سوئیچینگ باعث می شود پردازش سیگنال در طول انتقال ها کند شود و سرعت به روز رسانی را محدود کند.

معماری R-2R

این معماری در بین مبدل های دیجیتال به آنالوگ رایج ترین است و نمودار آن در زیر نشان داده شده است:

این معماری فقط از مقاومت هایی با دو مقاومت مختلف استفاده می کند که نسبت بین آنها 2 به 1 تعریف شده است.

هنگامی که یک بیت خاص تنظیم می شود، مقاومت 2R مربوطه به موقعیت V REF - H تغییر می کند، در غیر این صورت به موقعیت V REF - L (زمین) تنظیم می شود. در نتیجه یک ولتاژ خروجی بدست می آوریم که مجموع تمام ولتاژهای نردبانی 2R خواهد بود.

معماری R-2R برای استفاده در تاسیسات و دستگاه های صنعتی مناسب است. آنها دقت بیشتری نسبت به مبدل های رشته ای D/A دارند، به دلیل وجود مقاومت کمتر در نتیجه، سطح نویز کمتری دارند و عملکرد INL و DNL بهتری دارند.

تبدیل سیگنال در یک مبدل با معماری R-2R شامل تعویض پین 2R بین V REF - H و V REF - L است. مقاومت ها و سوئیچ های داخلی داخل دستگاه به طور کامل در یک راستا قرار ندارند، که می تواند منجر به اشکالات خاصی در فرآیند سوئیچینگ شود.

مبدل دیجیتال به آنالوگ ضرب MDAC

مبدل ضرب کننده MDAC نیز از معماری R-2R استفاده می کند، اما با ولتاژ مرجع V REF. نمودار زیر:

هنگامی که بیت تنظیم می شود، مقاومت 2R مربوطه به زمین مجازی متصل می شود - op-amp جمع آوری. به همین دلیل است که مبدل دیجیتال به آنالوگ ضربی نه ولتاژ، بلکه جریان تولید می کند، در حالی که ولتاژ مرجع V REF می تواند از اسمی تجاوز کند یا کاملاً منفی باشد.

منبع V REF مقاومت ثابت برابر با R را در MDAC می بیند، بنابراین همیشه یک جریان خروجی ثابت دارد که عملکرد را در هنگام انتقال سریع بهبود می بخشد، زیرا نیازی به صبر کردن نیست تا مقدار ولتاژ مرجع بازیابی شود. بسته به کد دیجیتال، جریان جریان به یک کنتاکت خروجی و یک کنتاکت زمین تقسیم می شود. این بدان معناست که امپدانس خروجی متفاوت خواهد بود، که انتخاب یک آپ امپ خارجی را تا حدودی دشوار می کند.

برای بهبود عملکرد خروجی، MDAC ها شامل یک مقاومت داخلی به عنوان بازخورد، با یک پاسخ حرارتی تقریباً مطابق با مقاومت داخلی استیج هستند. نویز داخلی یک مبدل دیجیتال به آنالوگ چند برابری از مقاومت های مرحله و مقاومت بازخورد ناشی می شود. از آنجایی که امپدانس خروجی وابسته به کد است، افزایش نویز نیز به آن بستگی دارد، اگرچه سطح نویز MDAC بسیار کمتر از DAC های سریال (رشته ای) است. شایان ذکر است که آپمپ خارجی می تواند نویز کم باشد.

یکی از معایب این است که سیگنال ورودی معکوس سیگنال خروجی است که به نوبه خود نیاز به یک عملیات وارونگی اضافی دارد.

درک پارامترهای عملکرد AC

برای به دست آوردن حداکثر کارایی از مبدل AC D/A، پیچیدگی‌های خاصی وجود دارد که باید بدانید، و همچنین مراحل ممکنی را که می‌توانید برای بهینه‌سازی آن بردارید، انجام دهید.

مدت زمانی که طول می کشد تا یک آپ امپ به مقدار نهایی خود برسد یکی از شاخص های اصلی کیفیت DAC است. زمان پاسخگویی مبدل دیجیتال به آنالوگ در زیر نشان داده شده است:

• وقت تلف شده ( وقت تلف شده): این مدت زمان لازم برای دستیابی به 10٪ از مقدار مورد نیاز سیگنال خروجی آنالوگ است، از لحظه ای که کد دیجیتال به مبدل دیجیتال به آنالوگ می رسد.
• زمان افزایش خروجی ( زمان کشته شد): زمان لازم برای افزایش سیگنال خروجی آنالوگ از 10% به 90%؛
• زمان بهبودی و ته نشین شدن ( زمان بهبودی زمان تسویه خطی): بیش از حد و ایجاد یک سیگنال آنالوگ با شکل معین.

هنگامی که سیگنال خروجی آنالوگ در محدوده خطای قابل قبول قرار گرفت، فرآیند کامل می شود، حتی اگر سیگنال همچنان در نوسان باشد اما در محدوده خطای قابل قبول باشد.

در زیر پاسخ گذرا یک مبدل دیجیتال به آنالوگ 18 بیتی واقعی R-2R DAC988 تک کاناله است:

زمان ته نشین شدن سیگنال از لحظه ای که سیگنال LDAC کم می شود اندازه گیری می شود و پس از آن گذر سیستم شروع می شود. لطفاً توجه داشته باشید که روند کاهش سیگنال طولانی ترین است، با یک فرآیند بازیابی طولانی و تأثیر ناچیز سیگنال استاتیک بر روی آن.

خطاهای سوئیچینگ

تغییر ایده آل در سیگنال خروجی DAC افزایش یا سقوط یکنواخت است، اما در واقعیت اینطور نیست و تغییرات سیگنال به طور ناگهانی رخ می دهد. برخلاف زمان ته نشینی، خطای سوئیچینگ به دلیل عدم تطابق سوئیچینگ داخلی (عامل غالب)، یا توسط جفت خازنی بین سیگنال های ورودی دیجیتال و خروجی آنالوگ ایجاد می شود:

خطا با ناحیه زیر پالس کاذب مثبت و منفی مشخص می شود و بر حسب ولت ثانیه اندازه گیری می شود (اغلب در μV∙s یا nV∙s).

با افزایش تعداد سوئیچ های موازی، خطا نیز افزایش می یابد. این یکی از معایب معماری R-2R است. خطاها در معماری R-2R هنگام تغییر همه بیت ها یا هنگام تعویض مهم ترین بیت ها، هنگام تغییر از 0x7FFF به 0x8000 (برای DAC های 16 بیتی) بیشتر قابل توجه است.

اگر کاهش تعداد مقاومت های سری سوئیچینگ غیرممکن باشد، از آنها در خروجی مبدل استفاده می شود، مدارها در زیر نشان داده شده اند:

شکل الف) ساده ترین فیلتر RC را نشان می دهد که در خروجی نصب شده است و به شما امکان می دهد سطح دامنه خطای خروجی را کمی کاهش دهید، اما در نتیجه سرعت افزایش سیگنال را به تاخیر می اندازد و در نتیجه زمان تاخیر را افزایش می دهد. شکل ب) گزینه ای را با افزودن نمونه و نگه داشتن مدار نشان می دهد. بله ، این به شما امکان می دهد خطا را تقریباً به صفر کاهش دهید ، اما اجرای چنین طرحی بسیار دشوار است ، زیرا الزامات سختگیرانه ای را در زمان پاسخگویی و همچنین هماهنگ سازی دقیق با نرخ تازه سازی DAC اعمال می کند.

منابع سر و صدا

نویز یکی از مهمترین اجزای عملکرد یک مبدل مدرن AC D/A است. سه منبع اصلی نویز وجود دارد - شبکه مقاومت داخلی، تقویت کننده های داخلی و خارجی و منابع ولتاژ مرجع. تأثیر مقاومت های داخلی بر نویز مبدل قبلاً در این مقاله مورد بحث قرار گرفت، بنابراین بیایید به دو منبع دیگر نویز نگاه کنیم.

نویز اپ آمپر خارجی

خروجی تقویت کننده DAC یکی دیگر از منابع نویز است. MDAC از یک آپمپ خارجی استفاده می‌کند، اما معماری‌های دیگر از یک آپمپ داخلی استفاده می‌کنند که بر رقم کلی نویز خروجی تأثیر می‌گذارد.

نویز در مدار آپ امپ دارای سه جزء اصلی است:

• نویز 1/f یا نویز سوسو زدن؛
• نویز ولتاژ پهن باند یا نویز سفید؛
• نویز ولتاژ و جریان روی مقاومت ها؛

دو مورد اول ویژگی های داخلی خود آپمپ در نظر گرفته می شوند و پهنای باند توسط خود مبدل D/A محدود می شود و تاثیر نویز باند پهن را تا حد زیادی کاهش می دهد. برای بهترین عملکرد AC، به دنبال آمپلی فایر با نویز کم 1/f باشید.

نویز ناشی از ولتاژ مرجع خارجی V REF

نویز خروجی DAC مستقیماً به نویز موجود در ولتاژ مرجع بستگی دارد که می تواند خارجی یا داخلی باشد. برای اطمینان از حداکثر عملکرد و حداقل نویز، استفاده از منابع ولتاژ مرجع با کیفیت بالا ضروری است. انتخاب عظیمی از مراجع ولتاژ از چندین سازنده وجود دارد.

نتیجه

به دست آوردن حداکثر عملکرد AC از یک DAC دقیق، ترکیبی از درک مشخصات فنی، انتخاب معماری مناسب و افزودن اجزای خارجی مناسب و البته پیروی از تکنیک های اثبات شده برای انتخاب و اندازه قطعات الکترونیکی است.

مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) - طراحی شده برای تبدیل سیگنال های دیجیتال به آنالوگ. چنین تبدیلی لازم است، برای مثال، هنگام بازیابی سیگنال آنالوگ که قبلاً برای انتقال یا ذخیره سازی از راه دور به دیجیتال تبدیل شده است (چنین سیگنال، به ویژه، می تواند صدا باشد). نمونه دیگری از استفاده از چنین تبدیلی به دست آوردن سیگنال کنترل هنگام کنترل دیجیتالی دستگاه هایی است که حالت عملکرد آنها مستقیماً توسط سیگنال آنالوگ تعیین می شود (که به ویژه هنگام کنترل موتورها رخ می دهد).

(xtypo_quote) پارامترهای اصلی DAC شامل وضوح، زمان ته نشینی، خطای غیرخطی و غیره است.(/xtypo_quote)

رزولوشن متقابل حداکثر تعداد مراحل کوانتیزاسیون سیگنال آنالوگ خروجی است. تنظیم زمان استقرار t فاصله زمانی از اعمال کد به ورودی تا لحظه ای است که سیگنال خروجی وارد محدوده های مشخص شده توسط خطا می شود. خطای غیرخطی حداکثر انحراف نمودار وابستگی ولتاژ خروجی به ولتاژ مشخص شده توسط سیگنال دیجیتال در رابطه با خط مستقیم ایده آل در کل محدوده تبدیل است.

مانند موارد مورد بررسی، DAC ها یک "پیوند" بین الکترونیک آنالوگ و دیجیتال هستند. برای ساخت ADC اصول مختلفی وجود دارد.

مدار DAC با جمع جریان های وزنی

در شکل شکل 3.88 یک مدار DAC را با مجموع جریان های وزنی نشان می دهد.

کلید S 5 فقط زمانی بسته می شود که همه کلیدهای S 1 ... S 4 باز باشند (در این مورد u out = 0). U 0

- ولتاژ مرجع. هر مقاومت در مدار ورودی مربوط به بیت خاصی از یک عدد باینری است.

اساساً این DAC یک تقویت کننده معکوس مبتنی بر تقویت کننده عملیاتی است. تجزیه و تحلیل چنین طرحی دشوار نیست. بنابراین، اگر یک کلید بسته باشد

S1، سپس u out = -U 0 R oc / R

که مربوط به اول و صفر در ارقام باقی مانده است.

از تجزیه و تحلیل مدار چنین بر می آید که مدول ولتاژ خروجی متناسب با عدد است که کد باینری آن با وضعیت کلیدهای S 1 ... S 4 تعیین می شود. جریان کلیدهای S 1 ... S 4 در نقطه "a" خلاصه می شود و جریان کلیدهای مختلف متفاوت است (دارای "وزن" متفاوتی هستند). این نام طرح را تعیین می کند.

از موارد فوق نتیجه می شود که u out = − (U 0 R oc / R) S 1 − (U 0 R oc / (R/2)) S 2 - − (U 0 R oc / (R/4)) · S 3 − (U 0 R oc / (R/8)) · S 4 = = − (U 0 R oc / R) · (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)

که در آن S i,i = 1, 2, 3, 4 در صورت بسته بودن کلید مربوطه مقدار 1 و اگر کلید باز باشد 0 را می گیرد.

وضعیت کلیدها توسط کد تبدیل شده ورودی تعیین می شود. مدار ساده است، اما دارای معایبی است: تغییرات قابل توجهی در ولتاژ روی کلیدها و استفاده از مقاومت هایی با مقاومت های بسیار متفاوت. اطمینان از دقت مورد نیاز این مقاومت ها دشوار است.

DAC بر اساس ماتریس مقاومتی R - 2R

بیایید یک DAC را بر اساس یک ماتریس مقاومتی R - 2R (ماتریس مقاومت ثابت) در نظر بگیریم (شکل 3.89).

این مدار از کلیدهای به اصطلاح تعویض S 1 ... S 4 استفاده می کند که هر کدام به یک نقطه مشترک در یکی از حالت ها متصل می شوند، بنابراین ولتاژ روی کلیدها کم است. کلید S 5 تنها زمانی بسته می شود که همه کلیدهای S 1 ... S 4 به یک نقطه مشترک متصل شوند. مدار ورودی از مقاومت هایی با تنها دو مقدار مقاومت متفاوت استفاده می کند.

از تجزیه و تحلیل مدار می بینید که برای آن مدول ولتاژ خروجی متناسب با عدد است که کد باینری آن با وضعیت کلیدهای S 1 ... S 4 تعیین می شود. با توجه به موارد زیر انجام تجزیه و تحلیل آسان است. بگذارید هر یک از کلیدهای S 1 ... S 4 به یک نقطه مشترک متصل شوند. سپس، همانطور که به راحتی قابل مشاهده است، ولتاژ نسبت به نقطه مشترک در هر نقطه بعدی "a" ... "d" 2 برابر بیشتر از نقطه قبلی است. به عنوان مثال، ولتاژ در نقطه "b" 2 برابر بیشتر از نقطه "a" است (ولتاژ U a، U b، Uc و U d در این نقاط به صورت زیر تعیین می شود:

فرض کنید وضعیت کلیدهای مشخص شده تغییر کرده است. سپس ولتاژها در نقاط "a" ... "d" تغییر نمی کنند، زیرا ولتاژ بین ورودی های تقویت کننده عملیاتی عملاً صفر است.

از مطالب فوق چنین بر می آید که:

u out = − (U 0 R oc / 2R) S 4 − ((U 0 /2) R oc / 2R) S 3 - ((U 0/4) R oc / 2R) S 2 − (( U 0 / 8) R oc / 2R) S 1 = - (U 0 R oc / 16R) (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)

جایی که S i , i = 1, 2, 3, 4 اگر کلید مربوطه بسته باشد مقدار 1 و اگر کلید باز باشد 0 را می گیرد.

DAC برای تبدیل BCD

بیایید یک DAC برای تبدیل اعداد باینری-اعشاری در نظر بگیریم (شکل 3.90).

یک ماتریس جداگانه R - 2R (که با مستطیل ها مشخص می شود) برای نشان دادن هر رقم اعشار استفاده می شود. Z 0 …Z 3 نشان دهنده اعداد تعیین شده توسط وضعیت کلیدهای هر ماتریس R-2R است. اگر در نظر بگیریم که مقاومت هر ماتریس R است و اگر قطعه مدار نشان داده شده در شکل را تجزیه و تحلیل کنیم، اصل کار روشن می شود. 3.91. از تجزیه و تحلیل نتیجه می شود که

U 2 = U 1 [ (R||9R) / (8.1R + R||9R) ]

R||9R = (R 9R) / (R + 9R) = 0.9R

بنابراین، U 2 = 0.1 U 1. با در نظر گرفتن این موضوع، دریافت می کنیم

u out = − (U 0 R oc / 16R) 10 −3 (10 3 Z 3 + 10 2 Z 2 + 10 Z 1 + Z 0)

رایج ترین DAC های سری تراشه های 572، 594، 1108، 1118 و غیره جدول هستند. 3.2 داده شده است ...

پارامترهای برخی از DAC ها

مبدل آنالوگ به دیجیتال(ADC، انگلیسی آنالوگ به دیجیتال مبدل، ADC) دستگاهی است که سیگنال آنالوگ ورودی را به یک کد گسسته (سیگنال دیجیتال) تبدیل می کند. تبدیل معکوس با استفاده از یک DAC (تبدیل دیجیتال به آنالوگ، DAC) انجام می شود.

به طور معمول، ADC یک دستگاه الکترونیکی است که ولتاژ را به کد دیجیتال باینری تبدیل می کند. با این حال، برخی از دستگاه های غیر الکترونیکی با خروجی دیجیتال نیز باید به عنوان ADC طبقه بندی شوند، مانند برخی از انواع مبدل های زاویه به کد. ساده ترین ADC باینری تک بیتی مقایسه کننده است.

اجازه

وضوح یک ADC - حداقل تغییر در بزرگی یک سیگنال آنالوگ که می تواند توسط یک ADC معین تبدیل شود - به ظرفیت بیت آن مربوط می شود. در مورد یک اندازه گیری بدون در نظر گرفتن نویز، وضوح به طور مستقیم توسط ظرفیت بیت ADC تعیین می شود.

ظرفیت ADC تعداد مقادیر گسسته ای را مشخص می کند که مبدل می تواند در خروجی تولید کند. در ADC های باینری با بیت و در ADC های سه تایی با تریت اندازه گیری می شود. به عنوان مثال، یک ADC 8 بیتی باینری قادر به تولید 256 مقدار گسسته (0...255) است، زیرا یک ADC سه تایی 8 بیتی قادر به تولید 6561 مقدار گسسته است، زیرا .

وضوح ولتاژ برابر است با اختلاف بین ولتاژهای مربوط به کد خروجی حداکثر و حداقل تقسیم بر تعداد مقادیر گسسته خروجی. مثلا:

محدوده ورودی = 0 تا 10 ولت

ظرفیت ADC باینری 12 بیت: 212 = 4096 سطح کوانتیزاسیون

وضوح ولتاژ ADC باینری: (10-0)/4096 = 0.00244 ولت = 2.44 میلی ولت

ظرفیت بیت سه تایی ADC 12 trit: 312 = 531,441 سطح کوانتیزاسیون

وضوح ولتاژ ADC سه تایی: (10-0)/531441 = 0.0188 mV = 18.8 µV

محدوده ورودی = -10 تا +10 ولت

ظرفیت ADC باینری 14 بیت: 214 = 16384 سطح کوانتیزاسیون

وضوح ولتاژ ADC باینری: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0.00122 ولت = 1.22 میلی ولت

ظرفیت بیت سه تایی ADC 14 trit: 314 = 4,782,969 سطح کوانتیزاسیون

وضوح ولتاژ ADC سه تایی: (10-(-10))/4782969 = 0.00418 mV = 4.18 µV

در عمل، وضوح یک ADC توسط نسبت سیگنال به نویز سیگنال ورودی محدود می شود. هنگامی که شدت نویز در ورودی ADC زیاد باشد، تمایز بین سطوح سیگنال ورودی مجاور غیرممکن می شود، یعنی وضوح تصویر بدتر می شود. در این مورد، وضوح واقعی قابل دستیابی با تعداد موثر بیت ها (ENOB)، که کمتر از ظرفیت بیت واقعی ADC است، توصیف می شود. هنگام تبدیل یک سیگنال بسیار پر سر و صدا، بیت های مرتبه پایین کد خروجی عملاً بی فایده هستند، زیرا حاوی نویز هستند. برای دستیابی به عمق بیت اعلام شده، نسبت S/N سیگنال ورودی باید تقریباً 6 دسی بل برای هر بیت از عمق بیت باشد (6 دسی بل مربوط به تغییر چهار برابری در سطح سیگنال است).

انواع تبدیل

با توجه به روش الگوریتم های مورد استفاده، ADC ها به موارد زیر تقسیم می شوند:

جستجوی مستقیم متوالی

تقریب متوالی

سریال با مدولاسیون سیگما-دلتا

تک مرحله موازی

موازی دو یا چند مرحله ای (نقاله)

مشخصه انتقال یک ADC وابستگی معادل عددی کد باینری خروجی به بزرگی سیگنال آنالوگ ورودی است. آنها در مورد ADC های خطی و غیرخطی صحبت می کنند. این تقسیم مشروط است. هر دو ویژگی انتقال پله ای هستند. اما برای ADC های "خطی" همیشه می توان یک خط مستقیم رسم کرد به طوری که تمام نقاط مشخصه انتقال مربوط به مقادیر ورودی delta*2^k است (در جایی که delta مرحله نمونه برداری است، k در محدوده 0 قرار می گیرد. .N، که در آن N عمق بیت ADC است) از آن فاصله دارند.

دقت

چندین منبع خطای ADC وجود دارد. خطاهای کوانتیزاسیون و (با فرض اینکه ADC باید خطی باشد) غیرخطی بودن در هر تبدیل آنالوگ به دیجیتال ذاتی هستند. علاوه بر این، به اصطلاح خطاهای دیافراگم وجود دارد که نتیجه لرزش ژنراتور ساعت است؛ آنها هنگام تبدیل سیگنال به عنوان یک کل (و نه فقط یک نمونه) ظاهر می شوند.

این خطاها در واحدهایی به نام LSB اندازه گیری می شوند - بیت کم اهمیت. در مثال بالا از یک ADC باینری 8 بیتی، خطا در 1 LSB 1/256 از محدوده سیگنال کامل است، یعنی 0.4٪، در ADC سه تایی 5 تریت، خطا در 1 LSB 1/243 است. از محدوده سیگنال کامل، یعنی 0.412٪، در یک ADC سه تایی 8-trite، خطا در 1 LSB 1/6561 است، یعنی 0.015٪.

انواع ADC ها

روش های اصلی برای ساخت ADC های الکترونیکی به شرح زیر است:

ADC تبدیل مستقیم:

ADCهای تبدیل مستقیم موازی، که ADCهای کاملاً موازی هستند، حاوی یک مقایسه کننده برای هر سطح سیگنال ورودی گسسته هستند. در هر زمان، فقط مقایسه کننده های مربوط به سطوح زیر سطح سیگنال ورودی، سیگنال اضافی را در خروجی خود تولید می کنند. سیگنال‌های همه مقایسه‌کننده‌ها مستقیماً به یک ثبات موازی می‌روند، سپس کد در نرم‌افزار پردازش می‌شود، یا به یک رمزگذار منطقی سخت‌افزاری، که بسته به کد ورودی رمزگذار، کد دیجیتال مورد نیاز را در سخت‌افزار تولید می‌کند. داده های رمزگذار در یک ثبات موازی ثبت می شود. نرخ نمونه برداری از ADC های موازی به طور کلی به ویژگی های سخت افزاری عناصر آنالوگ و منطقی و همچنین به میزان نمونه برداری مورد نیاز بستگی دارد.

ADCهای تبدیل مستقیم موازی سریعترین هستند، اما معمولاً وضوح بیش از 8 بیت ندارند، زیرا مستلزم هزینه های سخت افزاری (مقایسه کننده) زیادی هستند. ADC های این نوع دارای اندازه تراشه بسیار بزرگ، ظرفیت ورودی بالا هستند و می توانند خطاهای کوتاه مدت در خروجی ایجاد کنند. اغلب برای سیگنال های ویدئویی یا سایر سیگنال های فرکانس بالا استفاده می شود، همچنین به طور گسترده در صنعت برای نظارت بر فرآیندهای با تغییر سریع در زمان واقعی استفاده می شود.

عملکرد خط لوله ADC ها در ADC های سریال موازی تبدیل مستقیم استفاده می شود، برخلاف حالت معمول عملکرد ADC های سریال موازی تبدیل مستقیم، که در آن داده ها پس از تبدیل کامل منتقل می شود؛ در عملیات خط لوله، داده های تبدیل جزئی است. به عنوان آماده تا پایان تبدیل کامل منتقل می شود.

یک ADC تقریبی متوالی یا ADC متوازن بیت شامل یک مقایسه کننده، یک DAC کمکی و یک ثبات تقریب متوالی است. ADC سیگنال آنالوگ را در مراحل N به سیگنال دیجیتال تبدیل می کند که در آن N عمق بیت ADC است. در هر مرحله یک بیت از مقدار دیجیتال مورد نظر تعیین می شود که از SZR شروع می شود و به LZR ختم می شود. دنباله اقدامات برای تعیین بیت بعدی به شرح زیر است. DAC کمکی روی یک مقدار آنالوگ تنظیم می شود که از بیت هایی که قبلاً در مراحل قبلی تعیین شده اند تشکیل شده است. بیتی که باید در این مرحله تعیین شود روی 1 تنظیم می شود، بیت های پایین تر روی 0 تنظیم می شوند. مقدار به دست آمده در DAC کمکی با مقدار آنالوگ ورودی مقایسه می شود. اگر مقدار سیگنال ورودی بزرگتر از مقدار DAC کمکی باشد، بیتی که باید تعیین شود مقدار 1 و در غیر این صورت 0 را دریافت می کند. بنابراین، تعیین مقدار دیجیتال نهایی شبیه یک جستجوی باینری است. این نوع ADC هم سرعت بالایی دارد و هم وضوح خوبی دارد. با این حال، در غیاب دستگاه نمونه گیری ذخیره سازی، خطا بسیار بزرگتر خواهد بود (تصور کنید که پس از دیجیتالی شدن بزرگترین رقم، سیگنال شروع به تغییر کرد).

ADC های کدگذاری دیفرانسیل (ADC های رمزگذاری شده مثلث) حاوی یک شمارنده معکوس هستند که کد از آن به DAC کمکی ارسال می شود. سیگنال ورودی و سیگنال DAC کمکی با استفاده از مقایسه کننده مقایسه می شوند. به لطف بازخورد منفی از مقایسه کننده به شمارنده، کد روی شمارنده دائماً در حال تغییر است به طوری که سیگنال DAC کمکی تا حد ممکن با سیگنال ورودی متفاوت است. پس از مدتی، اختلاف سیگنال کمتر از مقدار حداقل می شود و کد شمارنده به عنوان سیگنال دیجیتال خروجی ADC خوانده می شود. ADCهای این نوع دارای محدوده سیگنال ورودی بسیار بزرگ و وضوح بالایی هستند، اما زمان تبدیل به سیگنال ورودی بستگی دارد، اگرچه از بالا محدود است. در بدترین حالت، زمان تبدیل برابر است با Tmax=(2q)/fс، جایی که q ظرفیت بیت ADC است، fс فرکانس مولد ساعت شمارنده است. ADC های کدگذاری دیفرانسیل معمولاً انتخاب خوبی برای دیجیتالی کردن سیگنال های دنیای واقعی هستند، زیرا بیشتر سیگنال ها در سیستم های فیزیکی مستعد تغییرات ناگهانی نیستند. برخی از ADC ها از یک رویکرد ترکیبی استفاده می کنند: کدگذاری تفاضلی و تقریب متوالی. این به ویژه در مواردی که اجزای فرکانس بالا در سیگنال نسبتاً کوچک هستند، به خوبی کار می کند.

مقایسه ADC ها با سیگنال دندان اره ای (برخی از ADC ها از این نوع ADC های یکپارچه نامیده می شوند، آنها همچنین شامل ADC های شمارش سریال می شوند) حاوی یک ژنراتور ولتاژ دندانه اره (در یک ADC شمارش سریال یک ژنراتور ولتاژ پله ای متشکل از یک شمارنده و یک DAC)، یک مقایسه کننده و زمان شمار سیگنال دندان اره به صورت خطی از سطح پایین به بالا افزایش می یابد، سپس به سرعت به سطح پایین می افتد. در لحظه ای که افزایش شروع می شود، شمارنده زمان شروع می شود. هنگامی که سیگنال رمپ به سطح سیگنال ورودی می رسد، مقایسه کننده فعال می شود و شمارنده را متوقف می کند. مقدار از شمارنده خوانده می شود و به خروجی ADC عرضه می شود. این نوع ADC از نظر ساختار ساده ترین است و دارای حداقل تعداد عناصر است. در عین حال، ساده ترین ADC های این نوع دقت نسبتاً کمی دارند و به دما و سایر پارامترهای خارجی حساس هستند. برای افزایش دقت، می توان یک ژنراتور رمپ را در اطراف یک شمارنده و یک DAC کمکی ساخت، اما این ساختار هیچ مزیت دیگری نسبت به ADC های تقریبی متوالی و ADC های کدگذاری تفاضلی ندارد.

ADC با متعادل کننده شارژ (اینها شامل ADC با ادغام دو مرحله ای، ADC با ادغام چند مرحله ای و برخی دیگر) حاوی یک مولد جریان پایدار، یک مقایسه کننده، یک یکپارچه ساز جریان، یک مولد ساعت و یک شمارنده پالس هستند. تبدیل در دو مرحله (ادغام دو مرحله ای) رخ می دهد. در مرحله اول مقدار ولتاژ ورودی به یک جریان (متناسب با ولتاژ ورودی) تبدیل می شود که به یکپارچه کننده جریان که شارژ آن در ابتدا صفر است، عرضه می شود. این فرآیند برای یک زمان TN طول می کشد، که در آن T دوره مولد ساعت است، N یک ثابت است (یک عدد صحیح بزرگ که زمان تجمع بار را تعیین می کند). پس از این مدت، ورودی یکپارچه ساز از ورودی ADC جدا شده و به یک مولد جریان پایدار متصل می شود. قطبیت ژنراتور به گونه ای است که بار انباشته شده در یکپارچه ساز را کاهش می دهد. فرآیند تخلیه تا زمانی ادامه می یابد که شارژ در انتگرالگر به صفر برسد. زمان تخلیه با شمارش پالس های ساعت از لحظه شروع تخلیه تا زمانی که انتگرالگر به شارژ صفر برسد اندازه گیری می شود. تعداد پالس های ساعت محاسبه شده، کد خروجی ADC خواهد بود. می توان نشان داد که تعداد پالس های n، شمارش شده در طول زمان تخلیه، برابر است با: n=UinN(RI0)-1، که در آن Uin ولتاژ ورودی ADC است، N تعداد پالس های مرحله تجمع است. (تعریف شده در بالا)، R مقاومت مقاومتی است که ولتاژ ورودی را به جریان تبدیل می کند، I0 مقدار جریان مولد جریان پایدار است که یکپارچه ساز را در مرحله دوم تخلیه می کند. بنابراین، پارامترهای سیستم بالقوه ناپایدار (عمدتاً ظرفیت خازن یکپارچه ساز) در بیان نهایی گنجانده نشده است. این نتیجه فرآیند دو مرحله ای است: خطاهای معرفی شده در مرحله اول و دوم به طور متقابل کم می شوند. حتی برای پایداری بلندمدت ژنراتور ساعت و ولتاژ بایاس مقایسه کننده، الزامات سختگیرانه ای وجود ندارد: این پارامترها باید فقط برای مدت کوتاهی پایدار باشند، یعنی در طول هر تبدیل (بیش از 2TN). در واقع، اصل ادغام دو مرحله ای اجازه می دهد تا نسبت دو کمیت آنالوگ (ورودی و جریان مرجع) مستقیماً به نسبت کدهای عددی (n و N بر اساس عبارات تعریف شده در بالا) بدون هیچ گونه خطای اضافی تبدیل شود. عرض معمولی این نوع ADC 10 تا 18 بیت است. یک مزیت اضافی، توانایی ساخت مبدل هایی است که به تداخل دوره ای (به عنوان مثال تداخل از منبع تغذیه) به دلیل ادغام دقیق سیگنال ورودی در یک بازه زمانی ثابت، حساس نیستند. نقطه ضعف این نوع ADC سرعت پایین تبدیل است. ADC های متعادل کننده شارژ در ابزارهای اندازه گیری با دقت بالا استفاده می شوند.

ADC با تبدیل متوسط ​​به نرخ تکرار پالس. سیگنال سنسور از یک مبدل سطح و سپس از یک مبدل ولتاژ فرکانس عبور می کند. بنابراین، ورودی مدار منطقی خود سیگنالی را دریافت می کند که مشخصه آن فقط فرکانس پالس است. شمارنده منطقی این پالس ها را به عنوان ورودی در طول زمان نمونه برداری دریافت می کند، بنابراین در پایان زمان نمونه گیری یک ترکیب کد به صورت عددی برابر با تعداد پالس های دریافت شده توسط مبدل در طول زمان نمونه برداری تولید می کند. چنین ADCهایی بسیار کند هستند و خیلی دقیق نیستند، اما با این وجود پیاده سازی بسیار ساده و در نتیجه هزینه پایینی دارند.

ADC های سیگما-دلتا (که ADC های دلتا-سیگما نیز نامیده می شوند) تبدیل آنالوگ به دیجیتال را با نرخ نمونه برداری چند برابر بیشتر از حد مورد نیاز انجام می دهند و از طریق فیلتر کردن، تنها باند طیفی مورد نظر را در سیگنال باقی می گذارند.

ADC های غیر الکترونیکی معمولاً بر اساس همان اصول ساخته می شوند.

ADC های تجاری

به عنوان یک قاعده، آنها به شکل ریز مدار تولید می شوند.

برای اکثر ADC ها، عمق بیت از 6 تا 24 بیت متغیر است و فرکانس نمونه برداری تا 1 مگاهرتز است. ADCهای مگا و گیگاهرتزی نیز در دسترس هستند (فوریه 2002). ADCهای مگاهرتز در دوربین‌های ویدئویی دیجیتال، دستگاه‌های فیلمبرداری و تیونرهای تلویزیون دیجیتال برای دیجیتالی کردن سیگنال ویدئویی کامل مورد نیاز هستند. ADC های تجاری معمولا دارای خطای خروجی ± 0.5 تا ± 1.5 LSB هستند.

یکی از عواملی که باعث افزایش قیمت تراشه ها می شود، تعداد پین ها است، زیرا باعث می شود بسته بندی تراشه بزرگتر شود و هر پایه باید به قالب متصل شود. برای کاهش تعداد پین‌ها، ADCهایی که با نرخ نمونه‌برداری پایین کار می‌کنند، اغلب دارای یک رابط سریال هستند. استفاده از ADC با رابط سریال اغلب باعث افزایش تراکم بسته بندی و مساحت برد کوچکتر می شود.

اغلب تراشه های ADC دارای چندین ورودی آنالوگ هستند که از طریق یک مالتی پلکسر آنالوگ در داخل تراشه به یک ADC منفرد متصل می شوند. مدل های مختلف ADC ممکن است شامل دستگاه های نمونه برداری و نگه داشتن، تقویت کننده های ابزار دقیق یا ورودی دیفرانسیل ولتاژ بالا و سایر مدارهای مشابه باشد.

سایر برنامه ها

تبدیل آنالوگ به دیجیتال در هر جایی که نیاز به دریافت و پردازش سیگنال آنالوگ به شکل دیجیتال باشد استفاده می شود.

ADC های ویدئویی ویژه در تیونرهای تلویزیون کامپیوتر، کارت های ورودی ویدئو و دوربین های ویدئویی برای دیجیتالی کردن سیگنال های ویدئویی استفاده می شوند. ورودی های میکروفون و خط صوتی رایانه ها به یک ADC صوتی متصل می شوند.

ADC ها بخشی جدایی ناپذیر از سیستم های جمع آوری داده ها هستند.

ADCهای تقریبی متوالی با ظرفیت 8-12 بیت و ADCهای سیگما-دلتا با ظرفیت 16-24 بیت در میکروکنترلرهای تک تراشه تعبیه شده اند.

ADC های بسیار سریع در اسیلوسکوپ های دیجیتال مورد نیاز است (ADC های موازی و خط لوله استفاده می شود)

ترازوهای مدرن از ADC با وضوح حداکثر 24 بیت استفاده می کنند که سیگنال را مستقیماً از سنسور فشار سنج (سیگما-دلتا ADC) تبدیل می کند.

ADC ها بخشی از مودم های رادیویی و سایر دستگاه های انتقال داده رادیویی هستند که در آنها همراه با یک پردازنده DSP به عنوان دمدولاتور استفاده می شود.

ADCهای فوق سریع در سیستم های آنتن ایستگاه پایه (در آنتن های به اصطلاح SMART) و در آرایه های آنتن رادار استفاده می شوند.

مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) - وسیله ای برای تبدیل کد دیجیتال (معمولا باینری) به سیگنال آنالوگ (جریان، ولتاژ یا شارژ). مبدل های دیجیتال به آنالوگ رابط بین دنیای دیجیتال گسسته و سیگنال های آنالوگ هستند.

یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) عملیات معکوس را انجام می دهد.

DAC صوتی معمولاً یک سیگنال دیجیتال را در مدولاسیون کد پالس (PCM، مدولاسیون کد پالس) به عنوان ورودی خود دریافت می کند. وظیفه تبدیل فرمت های مختلف فشرده به PCM توسط کدک های مربوطه انجام می شود.

کاربرد

DAC برای تبدیل سیگنال از یک نمایش دیجیتال به آنالوگ، به عنوان مثال، در پخش کننده های سی دی (سی دی صوتی) ضروری است.

انواع DAC

رایج ترین انواع DAC های الکترونیکی عبارتند از:

مدولاتور پهنای پالس ساده ترین نوع DAC است. یک منبع پایدار جریان یا ولتاژ به طور متناوب برای مدت زمانی متناسب با کد دیجیتال در حال تبدیل روشن می شود، سپس دنباله پالس حاصل توسط یک فیلتر آنالوگ پایین گذر فیلتر می شود. این روش اغلب برای کنترل سرعت موتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد و در صدای Hi-Fi نیز محبوب می شود.

DAC های نمونه برداری بیش از حد، مانند DAC های دلتا سیگما، بر اساس چگالی پالس متغیر هستند. Oversampling به شما امکان می دهد از یک DAC با عمق بیت کمتر برای دستیابی به عمق بیت بالاتری از تبدیل نهایی استفاده کنید. اغلب یک DAC دلتا سیگما بر اساس یک DAC ساده یک بیتی ساخته می شود که عملاً خطی است. یک DAC بیت پایین سیگنال پالسی با چگالی پالس مدوله شده (با مدت زمان پالس ثابت، اما با چرخه کاری متغیر) دریافت می کند که با استفاده از بازخورد منفی ایجاد می شود. بازخورد منفی به عنوان یک فیلتر بالا گذر برای نویز کوانتیزاسیون عمل می کند.

اکثر DAC های بیت بزرگ (بیش از 16 بیت) به دلیل خطی بودن بالا و هزینه کم بر اساس این اصل ساخته شده اند. سرعت DAC دلتا سیگما به صدها هزار نمونه در ثانیه می رسد، عمق بیت تا 24 بیت است. برای تولید یک سیگنال مدوله‌شده با چگالی پالس، می‌توان از یک مدولاتور دلتاسیگما مرتبه اول یا بالاتر مانند MASH (Multi stage noise SHaping) استفاده کرد. افزایش فرکانس نمونه برداری مجدد الزامات فیلتر پایین گذر خروجی را نرم می کند و کاهش نویز کوانتیزاسیون را بهبود می بخشد.

یک DAC از نوع توزین که در آن هر بیت از کد باینری تبدیل شده مربوط به یک مقاومت یا منبع جریان متصل به یک نقطه جمع مشترک است. جریان منبع (رسانایی مقاومت) متناسب با وزن بیتی است که با آن مطابقت دارد. بنابراین، تمام بیت های غیر صفر کد به وزن اضافه می شوند. روش توزین یکی از سریع‌ترین روش‌ها است، اما به دلیل نیاز به مجموعه‌ای از منابع دقیق یا مقاومت‌های مختلف و امپدانس متغیر با دقت پایین مشخص می‌شود. به همین دلیل، DACهای توزین دارای حداکثر عرض هشت بیت هستند.

DAC از نوع نردبانی (مدار زنجیره ای R-2R). در R-2R-DAC مقادیر در مدار خاصی متشکل از مقاومت‌های با مقاومت R و 2R به نام ماتریس امپدانس ثابت ایجاد می‌شوند که دارای دو نوع اتصال است: ماتریس جریان مستقیم و ماتریس ولتاژ معکوس. استفاده از مقاومت های یکسان می تواند به طور قابل توجهی دقت را در مقایسه با یک DAC توزین معمولی بهبود بخشد، زیرا تولید مجموعه ای از عناصر دقیق با پارامترهای یکسان نسبتاً ساده است. DAC از نوع R-2R به شما امکان می دهد محدودیت های مربوط به عمق بیت را پس بزنید. با برش لیزری مقاومت ها روی یک بستر، دقت 20-22 بیت به دست می آید. بیشتر زمان تبدیل در تقویت کننده عملیاتی صرف می شود، بنابراین باید تا حد امکان سریع باشد. سرعت DAC چند میکروثانیه یا کمتر است (یعنی نانوثانیه).

مشخصات

DACها در ابتدای مسیر آنالوگ هر سیستمی قرار دارند، بنابراین پارامترهای DAC تا حد زیادی پارامترهای کل سیستم را به عنوان یک کل تعیین می کنند. در زیر مهمترین ویژگی های DAC آورده شده است.

عمق بیت تعداد سطوح سیگنال خروجی مختلف است که DAC می تواند بازتولید کند. به طور معمول در بیت مشخص می شود. تعداد بیت ها لگاریتم پایه 2 تعداد سطوح است. به عنوان مثال، یک DAC یک بیتی قادر به بازتولید دو سطح () است و یک DAC هشت بیتی می تواند 256 () سطح را تولید کند. عمق بیت ارتباط نزدیکی با تعداد موثر بیت ها دارد (ENOB، تعداد موثر بیت ها)، که وضوح واقعی قابل دستیابی در یک DAC معین را نشان می دهد.

حداکثر فرکانس نمونه برداری حداکثر فرکانسی است که DAC می تواند در آن کار کند و نتیجه صحیح را در خروجی ایجاد کند. طبق قضیه نایکویست-شانون (که به عنوان قضیه کوتلنیکوف نیز شناخته می شود)، برای بازتولید صحیح سیگنال آنالوگ از یک فرم دیجیتال، فرکانس نمونه برداری نباید کمتر از دو برابر حداکثر فرکانس در طیف سیگنال باشد. به عنوان مثال، برای بازتولید کل محدوده فرکانس صوتی قابل شنیدن انسان، که طیف آن تا 20 کیلوهرتز گسترش می یابد، لازم است که سیگنال صوتی در فرکانس حداقل 40 کیلوهرتز نمونه برداری شود. استاندارد CD Audio نرخ نمونه برداری صدا را روی 44.1 کیلوهرتز تنظیم می کند. برای بازتولید این سیگنال به یک DAC نیاز دارید که بتواند در این فرکانس کار کند. کارت های صوتی ارزان کامپیوتر دارای نرخ نمونه برداری 48 کیلوهرتز هستند. سیگنال های نمونه برداری شده در فرکانس های دیگر مجدداً به 48 کیلوهرتز نمونه برداری می شوند که تا حدی کیفیت سیگنال را کاهش می دهد.

یکنواختی ویژگی DAC برای افزایش سیگنال خروجی آنالوگ با افزایش کد ورودی است.

THD+N (اعوجاج هارمونیک کل + نویز) معیاری از اعوجاج و نویز است که توسط DAC به سیگنال وارد می شود. به صورت درصدی از توان هارمونیک و نویز در سیگنال خروجی بیان می شود. یک پارامتر مهم برای برنامه های DAC سیگنال کوچک.

محدوده دینامیکی نسبت بزرگ‌ترین و کوچک‌ترین سیگنال‌هایی است که یک DAC می‌تواند بازتولید کند، که در دسی‌بل بیان می‌شود. این پارامتر مربوط به عمق بیت و آستانه نویز است.

خصوصیات استاتیکی:

DNL (غیرخطی دیفرانسیل) - مشخص می کند که افزایش سیگنال آنالوگ به دست آمده با افزایش کد با 1 بیت کم اهمیت (LSB) با مقدار صحیح چقدر تفاوت دارد.

INL (غیرخطی انتگرال) - مشخص می کند که مشخصه انتقال DAC چقدر با حالت ایده آل متفاوت است. مشخصه ایده آل کاملاً خطی است. INL نشان می دهد که ولتاژ در خروجی DAC برای یک کد مشخص چقدر از مشخصه خطی فاصله دارد. بیان شده در حداقل دستمزد؛

کسب کردن؛

جانبداری.

مشخصات فرکانس:

SNDR (نسبت سیگنال به نویز + اعوجاج) - نسبت قدرت سیگنال خروجی به کل توان نویز و اعوجاج هارمونیک را در دسی بل مشخص می کند.

HDi (ضریب هارمونیک i-امین) - نسبت هارمونیک i ام به هارمونیک اساسی را مشخص می کند.

THD (ضریب اعوجاج هارمونیک) - نسبت توان کل همه هارمونیک ها (به جز اولین هارمونیک) به توان هارمونیک اول

مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) وسیله ای برای تبدیل یک کد دیجیتال به سیگنال آنالوگ در بزرگی متناسب با مقدار کد است.

DAC ها برای اتصال سیستم های کنترل دیجیتال با دستگاه هایی استفاده می شوند که توسط سطح سیگنال آنالوگ کنترل می شوند. همچنین، DAC بخشی جدایی ناپذیر در بسیاری از دستگاه‌های آنالوگ به دیجیتال و سازه‌های مبدل است.

DAC با یک تابع تبدیل مشخص می شود. این تغییر در کد دیجیتال را به تغییر ولتاژ یا جریان مرتبط می کند. تابع تبدیل DAC به صورت زیر بیان می شود

تو بیرون- مقدار ولتاژ خروجی مربوط به کد دیجیتال نین، به ورودی های DAC عرضه می شود.

حداکثر- حداکثر ولتاژ خروجی مربوط به حداکثر کد اعمال شده به ورودی ها حداکثر N

اندازه K DACکه توسط نسبت تعیین می شود، ضریب تبدیل دیجیتال به آنالوگ نامیده می شود. با وجود ماهیت گام به گام مشخصه مرتبط با تغییر گسسته در مقدار ورودی (کد دیجیتال)، اعتقاد بر این است که DAC ها مبدل های خطی هستند.

اگر ارزش نینتابع تبدیل که از طریق مقادیر وزن ارقام آن نشان داده می شود، می تواند به صورت زیر بیان شود.

، جایی که

من- شماره رقمی کد ورودی نین; یک آی- معنی منرقم ام (صفر یا یک)؛ Ui – وزن مندسته -ام؛ n - تعداد بیت های کد ورودی (تعداد بیت های DAC).

وزن بیت برای یک ظرفیت بیت مشخص تعیین می شود و با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود

U OP - ولتاژ مرجع DAC

اصل کار اکثر DAC ها، جمع سهم سیگنال های آنالوگ (وزن تخلیه)، بسته به کد ورودی است.

DAC را می توان با استفاده از جمع جریان، جمع ولتاژ و تقسیم ولتاژ پیاده سازی کرد. در حالت اول و دوم، مطابق با مقادیر بیت های کد ورودی، سیگنال های ژنراتورهای جریان و منابع E.M.F خلاصه می شود. آخرین روش یک تقسیم کننده ولتاژ کنترل شده با کد است. دو روش آخر به دلیل دشواری های عملی اجرای آنها به طور گسترده مورد استفاده قرار نمی گیرند.

روش‌های اجرای DAC با جمع وزنی جریان‌ها

بیایید ساخت یک DAC ساده با جمع وزنی جریان ها را در نظر بگیریم.

این DAC از مجموعه ای از مقاومت ها و مجموعه ای از سوئیچ ها تشکیل شده است. تعداد کلیدها و تعداد مقاومت ها برابر است با تعداد بیت ها nکد ورودی مقادیر مقاومت مطابق با قانون باینری انتخاب می شوند. اگر R=3 اهم، 2R=6 اهم، 4R=12 اهم و غیره، یعنی. هر مقاومت بعدی 2 برابر بزرگتر از مقاومت قبلی است. هنگامی که یک منبع ولتاژ متصل می شود و کلیدها بسته می شوند، جریان از هر مقاومت عبور می کند. مقادیر فعلی مقاومت ها، به لطف انتخاب مناسب رتبه های آنها، طبق قانون باینری نیز توزیع می شود. هنگام ارسال کد ورودی نینکلیدها مطابق با مقدار بیت های مربوطه کد ورودی روشن می شوند. اگر بیت مربوطه برابر با یک باشد، کلید بسته می شود. در این حالت، جریان ها متناسب با وزن این بیت ها در گره خلاصه می شوند و مقدار جریانی که از گره به طور کلی جریان می یابد، متناسب با مقدار کد ورودی خواهد بود. نین.

مقاومت مقاومت های ماتریسی بسیار بزرگ (ده ها کیلو اهم) انتخاب شده است. بنابراین، برای اکثر موارد عملی، DAC نقش یک منبع جریان برای بار را ایفا می کند. اگر لازم است ولتاژ در خروجی مبدل به دست آید، یک مبدل ولتاژ جریان در خروجی چنین DAC، به عنوان مثال، روی یک تقویت کننده عملیاتی نصب می شود.

با این حال، زمانی که کد در ورودی های DAC تغییر می کند، مقدار جریان گرفته شده از منبع ولتاژ مرجع تغییر می کند. این مهمترین نقطه ضعف این روش ساخت DAC است. . این روش ساخت تنها در صورتی قابل استفاده است که منبع ولتاژ مرجع دارای مقاومت داخلی کم باشد. در مورد دیگر، در لحظه تغییر کد ورودی، جریان گرفته شده از منبع تغییر می کند، که منجر به تغییر در افت ولتاژ در مقاومت داخلی آن می شود و به نوبه خود، به تغییر اضافی در جریان خروجی که مستقیماً مرتبط نیست. به تغییر کد ساختار DAC با سوئیچ های سوئیچینگ به ما اجازه می دهد تا این اشکال را برطرف کنیم.

در چنین ساختاری دو گره خروجی وجود دارد. بسته به مقدار بیت های کد ورودی، کلیدهای مربوطه به گره متصل به خروجی دستگاه و یا به گره دیگری که اغلب ارت است متصل می شوند. در این حالت جریان بدون توجه به موقعیت سوئیچ به طور مداوم از هر مقاومت ماتریس عبور می کند و مقدار جریان مصرفی از منبع ولتاژ مرجع ثابت است.

یک نقطه ضعف مشترک هر دو ساختار در نظر گرفته شده، نسبت زیاد بین کوچکترین و بزرگترین مقادیر مقاومت های ماتریسی است. در عین حال، علیرغم تفاوت زیاد در درجه بندی مقاومت، لازم است از دقت مطلق برازش هم برای بزرگترین و هم برای کوچکترین درجه مقاومت اطمینان حاصل شود. در یک طراحی DAC یکپارچه با بیش از 10 بیت، دستیابی به این امر بسیار دشوار است.

سازه های مبتنی بر مصالح مقاومتی فاقد تمامی معایب فوق هستند. R-2Rماتریس ها

با این ساخت ماتریس مقاومتی، جریان در هر شاخه موازی بعدی دو برابر کمتر از شاخه قبلی است. وجود تنها دو مقدار مقاومت در ماتریس تنظیم مقادیر آنها را بسیار آسان می کند.

جریان خروجی برای هر یک از سازه های ارائه شده به طور همزمان نه تنها با مقدار کد ورودی، بلکه با مقدار ولتاژ مرجع نیز متناسب است. اغلب گفته می شود که با حاصلضرب این دو کمیت متناسب است. بنابراین، چنین DACهایی را ضرب کننده می نامند. همه این خواص را خواهند داشت. DAC،که در آن تشکیل مقادیر جریان وزنی مربوط به وزن های تخلیه با استفاده از ماتریس های مقاومتی انجام می شود.

علاوه بر استفاده برای هدف مورد نظر خود، DAC های ضرب شونده به عنوان ضرب کننده های آنالوگ به دیجیتال، به عنوان مقاومت ها و رسانایی های کنترل شده با کد استفاده می شوند. آنها به طور گسترده ای به عنوان اجزای سازنده در ساخت تقویت کننده های کنترل شده با کد (قابل تنظیم)، فیلترها، منابع ولتاژ مرجع، تهویه کننده های سیگنال و غیره استفاده می شوند.

پارامترهای اساسی و خطاهای DAC

پارامترهای اصلی که در دایرکتوری قابل مشاهده است:

1. تعداد بیت - تعداد بیت های کد ورودی.

2. ضریب تبدیل - نسبت افزایش سیگنال خروجی به افزایش سیگنال ورودی برای یک تابع تبدیل خطی.

3. زمان تنظیم ولتاژ یا جریان خروجی - فاصله زمانی از لحظه تغییر کد معین در ورودی DAC تا لحظه ای که ولتاژ یا جریان خروجی در نهایت وارد منطقه با عرض کمترین رقم قابل توجه می شود. ( MZR).

4. حداکثر فرکانس تبدیل - بالاترین فرکانس تغییرات کد که در آن پارامترهای مشخص شده با استانداردهای تعیین شده مطابقت دارند.

پارامترهای دیگری نیز وجود دارد که عملکرد DAC و ویژگی های عملکرد آن را مشخص می کند. این موارد عبارتند از: ولتاژ ورودی سطح پایین و بالا، مصرف جریان، ولتاژ خروجی یا محدوده جریان.

مهمترین پارامترهای DAC آنهایی هستند که مشخصه های دقت آن را تعیین می کنند.

ویژگی های دقت هر DAC , اول از همه، آنها با خطاهای نرمال شده در بزرگی تعیین می شوند.

خطاها به دو دسته پویا و استاتیک تقسیم می شوند. خطاهای استاتیک خطاهایی هستند که پس از اتمام تمام فرآیندهای گذرا مرتبط با تغییر کد ورودی باقی می مانند. خطاهای دینامیکی توسط فرآیندهای گذرا در خروجی DAC که در نتیجه تغییر در کد ورودی ایجاد می شوند، تعیین می شوند.

انواع اصلی خطاهای DAC استاتیک:

خطای تبدیل مطلق در نقطه پایانی مقیاس، انحراف مقدار ولتاژ خروجی (جریان) از مقدار اسمی مربوط به نقطه پایانی مقیاس تابع تبدیل است. در واحدهای کمترین رقم قابل توجه تبدیل اندازه گیری می شود.

ولتاژ آفست خروجی صفر – ولتاژ DC در خروجی DAC با کد ورودی مربوط به مقدار ولتاژ خروجی صفر. در واحدهای درجه پایین اندازه گیری می شود. خطای ضریب تبدیل (مقیاس) - مرتبط با انحراف شیب تابع تبدیل از مقدار مورد نیاز.

غیر خطی بودن DAC انحراف تابع تبدیل واقعی از خط مستقیم مشخص شده است. این بدترین خطایی است که مبارزه با آن دشوار است.

خطاهای غیرخطی به طور کلی به دو نوع انتگرال و دیفرانسیل تقسیم می شوند.

خطای غیرخطی انتگرال حداکثر انحراف مشخصه واقعی از حالت ایده آل است. در واقع، این تابع تبدیل میانگین را در نظر می گیرد. این خطا به عنوان درصدی از محدوده نهایی مقدار خروجی تعیین می شود.

غیرخطی بودن دیفرانسیل با عدم دقت تنظیم وزن دبی ها همراه است، یعنی. با خطاهای عناصر تقسیم کننده، پراکندگی پارامترهای باقیمانده عناصر کلیدی، ژنراتورهای جریان و غیره.

روش های شناسایی و تصحیح خطاهای DAC

مطلوب است که تصحیح خطا در حین ساخت مبدل ها (تنظیم فن آوری) انجام شود. با این حال، اغلب هنگام استفاده از یک نمونه خاص مطلوب است BISدر یک دستگاه یا دستگاه دیگر در این مورد، اصلاح با وارد کردن ساختار دستگاه انجام می شود، به جز LSI DACعناصر اضافی چنین روش هایی ساختاری نامیده می شوند.

دشوارترین فرآیند اطمینان از خطی بودن است، زیرا آنها توسط پارامترهای مرتبط بسیاری از عناصر و گره ها تعیین می شوند. بیشتر اوقات، فقط افست و ضریب صفر تنظیم می شود

پارامترهای دقت ارائه شده توسط روش های تکنولوژیکی زمانی که مبدل در معرض عوامل بی ثبات کننده مختلف، به ویژه دما قرار می گیرد، بدتر می شود. همچنین لازم است در مورد عامل پیری عناصر به یاد داشته باشید.

خطای آفست صفر و خطای مقیاس به راحتی در خروجی DAC اصلاح می شوند. برای انجام این کار، یک آفست ثابت به سیگنال خروجی وارد می شود که جبران افست مشخصه مبدل می شود. مقیاس تبدیل مورد نیاز یا با تنظیم میزان بهره در خروجی مبدل تقویت‌کننده، یا با تنظیم مقدار ولتاژ مرجع در صورتی که DAC یک ضربی باشد، ایجاد می‌شود.

روش‌های تصحیح با کنترل آزمایشی شامل شناسایی خطاهای DAC در کل مجموعه تأثیرات ورودی مجاز و اضافه کردن اصلاحات محاسبه‌شده بر این اساس به مقدار ورودی یا خروجی برای جبران این خطاها است.

برای هر روش اصلاحی با کنترل با استفاده از سیگنال تست، اقدامات زیر ارائه شده است:

1. اندازه‌گیری ویژگی‌های DAC روی مجموعه‌ای از آزمون‌ها برای شناسایی خطاها کافی است.

2. شناسایی خطاها با محاسبه انحراف آنها از نتایج اندازه گیری.

3. محاسبه اصلاحات اصلاحی برای مقادیر تبدیل شده یا اثرات اصلاحی مورد نیاز بر روی بلوک های اصلاح شده.

4. انجام تصحیح.

کنترل را می توان یک بار قبل از نصب مبدل در دستگاه با استفاده از تجهیزات اندازه گیری آزمایشگاهی ویژه انجام داد. همچنین می توان آن را با استفاده از تجهیزات تخصصی تعبیه شده در دستگاه انجام داد. در این مورد، نظارت، به عنوان یک قاعده، به طور دوره ای انجام می شود، در حالی که مبدل مستقیماً در عملکرد دستگاه دخالت ندارد. چنین سازماندهی کنترل و تصحیح مبدل ها می تواند زمانی انجام شود که به عنوان بخشی از یک سیستم اندازه گیری ریزپردازنده عمل کند.

عیب اصلی هر روش تست انتها به انتها، زمان طولانی تست همراه با ناهمگونی و حجم زیاد تجهیزات مورد استفاده است.

مقادیر تصحیح تعیین شده به یک روش، به عنوان یک قاعده، به شکل دیجیتال ذخیره می شود. تصحیح خطاها، با در نظر گرفتن این اصلاحات، می تواند به دو صورت آنالوگ و دیجیتال انجام شود.

با تصحیح دیجیتال، اصلاحات با در نظر گرفتن علامت آنها به کد ورودی DAC اضافه می شود. در نتیجه کدی در ورودی DAC دریافت می شود که مقدار ولتاژ یا جریان مورد نیاز را در خروجی آن تولید می کند. ساده ترین اجرای این روش تصحیح شامل یک قابل تنظیم است DAC،در ورودی که یک دستگاه ذخیره سازی دیجیتال نصب شده است ( حافظه). کد ورودی نقش یک کد آدرس را بازی می کند. که در حافظهآدرس های مربوطه حاوی مقادیر کد ارائه شده به DAC اصلاح شده با در نظر گرفتن اصلاحات از پیش محاسبه شده است.

برای تصحیح آنالوگ علاوه بر DAC اصلی از DAC اضافی دیگری نیز استفاده می شود. محدوده سیگنال خروجی آن با حداکثر مقدار خطای DAC اصلاح شده مطابقت دارد. کد ورودی به طور همزمان به ورودی های DAC تصحیح شده و به ورودی های آدرس ارائه می شود. حافظهاصلاحات از جانب حافظهاصلاحات، تصحیح مربوط به مقدار داده شده کد ورودی انتخاب می شود. کد تصحیح به سیگنالی متناسب با آن تبدیل می شود که با سیگنال خروجی DAC اصلاح شده جمع می شود. به دلیل کوچک بودن محدوده مورد نیاز سیگنال خروجی DAC اضافی در مقایسه با محدوده سیگنال خروجی DAC اصلاح شده، خطاهای خود اول نادیده گرفته می شود.

در برخی موارد، اصلاح دینامیک DAC ضروری می شود.

پاسخ گذرا DAC هنگام تغییر ترکیب کدهای مختلف متفاوت خواهد بود، به عبارت دیگر زمان ته نشینی سیگنال خروجی متفاوت خواهد بود. بنابراین هنگام استفاده از DAC باید حداکثر زمان ته نشینی را در نظر گرفت. با این حال، در برخی موارد می توان رفتار مشخصه انتقال را اصلاح کرد.

ویژگی های استفاده از LSI DAC

برای استفاده موفق از مدرن BISدانستن لیست مشخصات اصلی و مدارهای اساسی برای گنجاندن آنها برای DAC ها کافی نیست.

تأثیر قابل توجهی بر نتایج برنامه BIS DAC الزامات عملیاتی تعیین شده توسط ویژگی های یک تراشه خاص را برآورده می کند. چنین الزاماتی نه تنها شامل استفاده از سیگنال های ورودی مجاز، ولتاژ منابع تغذیه، ظرفیت خازن و مقاومت بار، بلکه همچنین ترتیب روشن کردن منابع مختلف برق، جداسازی مدارهای اتصال منابع مختلف برق و باس مشترک، استفاده از فیلترها، و غیره.

برای DAC های دقیق، ولتاژ خروجی نویز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. یکی از ویژگی های مشکل نویز در DAC وجود نوسانات ولتاژ در خروجی آن است که به دلیل سوئیچینگ سوئیچ ها در داخل مبدل ایجاد می شود. دامنه این انفجارها می تواند به چند ده وزن برسد MZRو مشکلاتی را در عملکرد دستگاه های پردازش سیگنال آنالوگ به دنبال DAC ایجاد کند. راه حل مشکل سرکوب چنین انفجارهایی استفاده از دستگاه های نمونه گیری و نگه داشتن در خروجی DAC است. UVH). UVHاز قسمت دیجیتالی سیستم کنترل می شود که ترکیب کدهای جدیدی را در ورودی DAC تولید می کند. قبل از ارسال یک ترکیب کد جدید UVHبه حالت ذخیره سازی سوئیچ می کند و مدار انتقال سیگنال آنالوگ را به خروجی باز می کند. با تشکر از این، سنبله در ولتاژ خروجی DAC به خروجی نمی رسد UVH، که سپس با تکرار خروجی DAC در حالت ردیابی قرار می گیرد.

توجه ویژه هنگام ساخت یک DAC بر اساس BISلازم است به انتخاب تقویت کننده عملیاتی که برای تبدیل جریان خروجی DAC به ولتاژ عمل می کند توجه شود. هنگام اعمال کد ورودی DAC به خروجی OUخطایی وجود خواهد داشت DU، ناشی از ولتاژ بایاس آن و برابر است

,

جایی که U سانتی متر- ولتاژ بایاس OU; R os- مقدار مقاومت در مدار بازخورد OU; R m- مقاومت ماتریس مقاومتی DAC (مقاومت خروجی DAC)، بسته به مقدار کد اعمال شده به ورودی آن.

از آنجایی که نسبت از 1 به 0 متغیر است، خطای ناشی از U سانتی متر، تغییرات در راهروها (1...2) U cm. نفوذ U سانتی مترهنگام استفاده نادیده گرفته می شود OU،کدام یک .

به دلیل مساحت زیاد سوئیچ های ترانزیستور در CMOS BISظرفیت خروجی قابل توجه LSI DAC (40...120 pF بسته به مقدار کد ورودی). این خازن تاثیر قابل توجهی بر زمان ته نشینی ولتاژ خروجی دارد. OUبه دقت لازم برای کاهش این نفوذ R osدور زدن با خازن با سیستم عامل.

در برخی موارد لازم است یک ولتاژ خروجی دوقطبی در خروجی DAC بدست آوریم. این را می توان با معرفی یک بایاس محدوده ولتاژ خروجی در خروجی و برای ضرب DAC با تغییر قطبیت منبع ولتاژ مرجع به دست آورد.

لطفا توجه داشته باشید که اگر از DAC یکپارچه استفاده می کنید , با داشتن تعداد بیت‌های بیشتر از آنچه نیاز دارید، سپس ورودی‌های بیت‌های بلااستفاده به گذرگاه زمین متصل می‌شوند و به طور واضح سطح صفر منطقی روی آنها را تعیین می‌کنند. علاوه بر این، برای کار با وسیع‌ترین محدوده ممکن سیگنال خروجی LSI DAC، ارقام به عنوان ارقامی در نظر گرفته می‌شوند که با کمترین مقدار شروع می‌شوند.

یکی از مثال های کاربردی استفاده از DAC شکل دهنده های سیگنال با اشکال مختلف است. من یک مدل کوچک در پروتئوس ساختم. با استفاده از DAC کنترل شده توسط MK (Atmega8، اگرچه می توان آن را روی Tiny نیز انجام داد)، سیگنال هایی با اشکال مختلف تولید می شوند. برنامه با زبان C در CVAVR نوشته شده است. با فشار دادن دکمه، سیگنال تولید شده تغییر می کند.

نیمه هادی ملی LSI DAC DAC0808، 8 بیتی، پرسرعت، مطابق مدار استاندارد موجود است. از آنجایی که خروجی آن جریان است، با استفاده از تقویت کننده معکوس با استفاده از یک آپ امپ به ولتاژ تبدیل می شود.

در اصل، شما حتی می توانید چنین چهره های جالبی داشته باشید، این من را به یاد چیزی می اندازد، درست است؟ اگر عمق بیت بالاتری را انتخاب کنید، صاف تر خواهید شد

کتابشناسی - فهرست کتب:
1. Bakhtiyarov G.D., Malinin V.V., Shkolin V.P. مبدل های آنالوگ به دیجیتال / ویرایش. G.D. Bakhtiyarov - M.: Sov. رادیو – 1980. – 278 ص: بیمار.
2. طراحی سیستم های ریزپردازنده کنترل آنالوگ دیجیتال.
3. O.V. شیشوف. - سارانسک: انتشارات موردوف. دانشگاه 1995. - ص.

در زیر می توانید پروژه را دانلود کنید