ساده ترین مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) یک مبدل تک بیتی است. یک تقویت کننده محدود کننده ساده، که می تواند به عنوان یک DAC استفاده شود، می تواند به عنوان یک DAC عمل کند. یکی که با استفاده از فناوری CMOS ساخته شده است به ویژه مناسب است، زیرا در این فناوری جریان خروجی یک و صفر برابر است. چنین مبدل دیجیتال به آنالوگ در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1. نمودار شماتیک مبدل دیجیتال به آنالوگ تک بیتی (DAC)
یک DAC تک رقمی علامت یک عدد را به شکل آنالوگ تبدیل می کند. برای تبدیل دیجیتال به آنالوگ در فرکانس نمونه برداری بسیار بالا، چندین برابر فرکانس کوتلنیکف، چنین مبدلی کاملاً کافی است، با این حال، در بیشتر موارد، برای تبدیل دیجیتال به آنالوگ با کیفیت بالا، تعداد بیشتری از بیت مورد نیاز است. مشخص است که یک عدد باینری با فرمول زیر توصیف می شود:
(1)برای تبدیل کد باینری دیجیتال به ولتاژ، می توانید از این فرمول به طور مستقیم استفاده کنید، یعنی از جمع کننده آنالوگ استفاده کنید. ما جریان ها را با استفاده از مقاومت ها تنظیم می کنیم. اگر مقاومت ها با یکدیگر ضریب دو تفاوت داشته باشند، جریان ها نیز مطابق فرمول (1) از قانون باینری تبعیت می کنند. اگر یک منطقی در خروجی رجیستر وجود داشته باشد، با استفاده از یک مقاومت به جریان متناظر با یک بیت باینری تبدیل می شود. در این حالت، ولتاژ به عنوان مبدل دیجیتال به آنالوگ کار خواهد کرد. مدار یک DAC که طبق اصل توصیف شده کار می کند در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل 2. نمودار شماتیک مبدل چهار بیتی دیجیتال به آنالوگ با مجموع جریان های وزنی
در نمودار نشان داده شده در شکل 2، پتانسیل ترمینال دوم صفر است. این امر با بازخورد منفی موازی حاصل می شود که امپدانس ورودی op-amp را کاهش می دهد. ضریب انتقال با استفاده از یک مقاومت متصل از خروجی به ورودی تقویت کننده عملیاتی انتخاب می شود. اگر بهره واحد مورد نیاز باشد، این مقاومت باید برابر با مقاومت موازی تمام مقاومت های متصل به خروجی های رجیستر موازی باشد. در دستگاه توصیف شده، جریان مرتبه پایین هشت برابر کمتر از جریان مرتبه بالا خواهد بود. برای کاهش تأثیر جریان های ورودی یک تقویت کننده عملیاتی واقعی، یک مقاومت با مقاومت برابر با اتصال موازی سایر مقاومت ها بین ورودی غیر معکوس آن و سیم مشترک متصل می شود.
با توجه به اینکه در خروجی تمامی بیت های رجیستر یا یک ولتاژ صفر یا برابر با ولتاژ تغذیه وجود دارد، ولتاژ خروجی تقویت کننده عملیاتی در محدوده صفر تا منهای ولتاژ تغذیه کار خواهد کرد. این همیشه راحت نیست. اگر نیاز دارید که دستگاه از یک منبع تغذیه کار کند، باید کمی آن را تغییر دهید. برای انجام این کار، ولتاژی معادل نصف منبع تغذیه به ورودی غیر معکوس تقویت کننده عملیاتی اعمال کنید. می توان آن را از یک تقسیم کننده ولتاژ مقاومتی بدست آورد. جریان صفر و جریان یک مرحله خروجی رجیستر در مدار جدید باید مطابقت داشته باشند. سپس ولتاژ خروجی تقویت کننده عملیاتی در محدوده صفر تا ولتاژ تغذیه متفاوت خواهد بود. مدار مبدل دیجیتال به آنالوگ با منبع تغذیه تک قطبی در شکل 3 نشان داده شده است.
شکل 3. مبدل D/A تک منبعی
در مدار نشان داده شده در شکل 3، پایداری جریان و ولتاژ خروجی با پایداری ولتاژ تغذیه رجیستر موازی تضمین می شود. با این حال، ولتاژ تغذیه تراشه های دیجیتال معمولاً بسیار پر سر و صدا است. این نویز در سیگنال خروجی نیز وجود خواهد داشت. در مبدل دیجیتال به آنالوگ چند بیتی، این امر نامطلوب است، بنابراین سوئیچ های خروجی آن از یک مبدل بسیار پایدار و کم نویز تغذیه می شوند. در حال حاضر، چنین ریز مدارهایی توسط تعدادی از شرکت ها تولید می شود. به عنوان مثال می توان به ADR4520 از دستگاه های آنالوگ یا MAX6220_25 از Maxim Integrated اشاره کرد.
هنگام ساخت مبدل های دیجیتال به آنالوگ چند بیتی، ساخت مقاومت ها با دقت بالا ضروری است. پیش از این، این با برش لیزری مقاومت ها به دست می آمد. در حال حاضر، نه مقاومت، بلکه از ژنراتورهای جریان در ترانزیستورهای اثر میدانی معمولاً به عنوان منبع جریان استفاده می شود. استفاده از ترانزیستورهای اثر میدانی می تواند اندازه تراشه DAC را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. در این حالت برای افزایش جریان، ترانزیستورها به صورت موازی متصل می شوند. این امکان دستیابی به دقت بالایی در انطباق فعلی با قانون باینری را فراهم می کند ( من 0 , 2من 0 , 4من 0 , 8من 0 و غیره). سرعت تبدیل بالا با مقاومت بار کم به دست می آید. مدار مبدل کد دیجیتال به جریان خروجی که طبق اصل توصیف شده کار می کند در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل 4. مدار DAC داخلی با جمع جریان
به طور طبیعی، سوئیچ های الکترونیکی نشان داده شده در شکل 4 نیز ترانزیستورهای اثر میدانی هستند. با این حال، اگر آنها را در نمودار نشان دهید، می توانید در مورد اینکه کلید کجاست و ژنراتور فعلی کجاست گیج شوید. از آنجایی که یک ترانزیستور اثر میدان می تواند به طور همزمان به عنوان یک مولد جریان و یک سوئیچ الکترونیکی عمل کند، آنها اغلب با هم ترکیب می شوند و قانون باینری با استفاده از شکل 5 شکل می گیرد.
شکل 5. مدار DAC داخلی با مجموع جریان های مساوی
نمونه ای از تراشه ای که از راه حل جمع جریان استفاده می کند AD7945 DAC است. در آن از جمع جریان ها برای تشکیل مهم ترین بیت ها استفاده می شود. برای کار با ارقام درجه پایین، . یک تقویت کننده عملیاتی معمولاً برای تبدیل جریان خروجی به ولتاژ استفاده می شود، اما نرخ انحراف آن تأثیر قابل توجهی بر عملکرد مبدل دیجیتال به آنالوگ به طور کلی دارد. بنابراین، مدار DAC با تقویت کننده عملیاتی فقط در مدارهای باند پهن مانند تبدیل سیگنال صوتی یا تلویزیونی استفاده می شود.
شکل 6. ولتاژ کد باینری مبدل دیجیتال به آنالوگ
ادبیات:
همراه با مقاله «مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC) با جمع جریان» بخوانید:
http://site/digital/R2R/
http://site/digital/sigmaadc.php
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)
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.
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:
- تعدیل کننده عرض پالس- ساده ترین نوع DAC. 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 تجهیزات صوتی Hi-Fi نیز رواج یافته است.
- نمونه برداری بیش از حد DACمانند 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 کم بیت یک سیگنال پالس را با تراکم پالس تعدیل شده است(با مدت زمان پالس ثابت، اما با چرخه کاری متغیر)، ایجاد شده با استفاده از بازخورد منفی. بازخورد منفی به عنوان یک فیلتر بالا گذر برای نویز کوانتیزاسیون عمل می کند.
- نوع توزین DAC، 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.
- نردبان DAC(مدار زنجیره ای R-2R). در R-2R-DAC، مقادیر در یک مدار ویژه متشکل از مقاومت‌هایی با مقاومت ایجاد می‌شوند. آرو 2R، ماتریس امپدانس ثابت نامیده می شود که دارای دو نوع گنجاندن 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.
- حداکثر نرخ نمونه برداری- حداکثر فرکانسی 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.
- یکنواخت- توانایی DAC برای افزایش سیگنال خروجی آنالوگ در هنگام افزایش کد ورودی.
- THD+N(اعوجاج هارمونیک کل + نویز) - اندازه گیری اعوجاج و نویز وارد شده به سیگنال توسط DAC. 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 که 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 اولی) به توان هارمونیک اول است.
همچنین ببینید
ادبیات
- ژان ام رابای، آنانتا چاندراکاسان، بوریوژ نیکولیک.مدارهای مجتمع دیجیتال روش طراحی = مدارهای مجتمع دیجیتال. - ویرایش دوم - م.: ویلیامز، 2007. - 912 ص. - شابک 0-13-090996-3
- مینگلیانگ لیو. رمزگشایی مدارهای سوئیچ خازن. شابک 0-75-067907-7.
- فیلیپ ای. آلن، داگلاس آر. هولبرگ. طراحی مدار آنالوگ CMOS. شابک 0-19-511644-5.
پیوندها
- مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC)، تئوری و اصول عملیات در وب سایت Microelectronics Market
- مبدل های دیجیتال به آنالوگ برای برنامه های کاربردی پردازش سیگنال دیجیتال
- اندازه گیری INL/DNL برای ADC های پرسرعت نحوه محاسبه INL و DNL را توضیح می دهد
- الکسی استاخوف. کامپیوتر فیبوناچی قسمت 1، قسمت 2، قسمت 3 // PCweek.ru، 2002
- R-2R Ladder DAC توضیح داده شده حاوی شماتیک است
| میکروکنترلرها | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| معماری |
| ||||
مبدل دیجیتال به آنالوگ(DAC) - دستگاهی که سیگنال دیجیتال ورودی (کد) را به آنالوگ تبدیل می کند.
DAC به طور گسترده ای در جاهایی که لازم است، با استفاده از اطلاعات دیجیتال صادر شده توسط رایانه، برای کنترل دستگاه های آنالوگ، به عنوان مثال، برای حرکت دادن یک شیر متناسب با مقدار محاسبه شده سیگنال دیجیتال، استفاده می شود. DAC ها برای هماهنگ کردن کامپیوترها (DC) با دستگاه های آنالوگ، به عنوان گره های داخلی ADC ها و ابزارهای اندازه گیری دیجیتال استفاده می شوند. به عنوان بخشی از مبدل های آنالوگ به دیجیتال، DAC برای تولید یک سیگنال آنالوگ (جریان یا ولتاژ) استفاده می شود که سیگنال تبدیل شده با آن مقایسه می شود.
مشخصه اصلی DAC وضوح است که با تعداد بیت ها تعیین می شود n. از نظر تئوری، یک DAC که تبدیل می شود nکدهای باینری بیت، باید 2 را ارائه کنند nمقادیر مختلف سیگنال خروجی با وضوح (2 n– 1)-1. مقدار مطلق کوانتوم حداقل ولتاژ خروجی به عنوان حداکثر عدد پذیرفته شده 2 تعیین می شود n– 1 و حداکثر ولتاژ خروجی DAC که ولتاژ مقیاس نامیده می شود Uمدرسه بنابراین، با 12 بیت، تعداد کوانتوم های مستقل (گام ها) ولتاژ خروجی DAC 212 - 1 = 0.0245٪ است. ولتاژ مقیاس انتخابی مرجع U shk = 10B، تقسیم بر این تعداد کوانتوم، وضوح مطلق DAC را به دست می دهد
D ایکس = U shk/(2 n– 1) = 103 mV/ (212 – 1) = 2.45 mV.
مشخصه تبدیل(HP) DAC- مجموعه ای از مقادیر کمیت آنالوگ خروجی xiبسته به کد ورودی b من.
مشخصه تبدیل (یا مشخصه انتقال) DAC در شکل نشان داده شده است. 3.15.
برنج. 3.15. مشخصه انتقال DAC؛ آ- خطی بودن ب- غیر خطی بودن سی- غیر یکنواختی؛ D- سیگنال خروجی؛ E- یک خط مستقیم که مقادیر ایده آل سطوح سیگنال خروجی را به هم متصل می کند. dпш - خطا در مقیاس کامل
تفاوت بین مقدار وضوح واقعی و تئوری به دلیل خطای گره ها و نویز DAC است. دقت DAC با مقادیر خطای مطلق دستگاه، غیر خطی بودن و غیرخطی بودن دیفرانسیل تعیین می شود.
خطای مطلق dshk نشان دهنده انحراف مقدار ولتاژ خروجی (جریان) از مقدار نامی محاسبه شده مربوط به نقطه پایانی مشخصه تبدیل است (شکل 3.15 را ببینید). خطای مطلق معمولاً در واحدهای رقمی (LSB) با حداقل اهمیت اندازه گیری می شود.
غیر خطی بودن dl هویت حداقل افزایش سیگنال خروجی را در کل محدوده تبدیل مشخص می کند و به عنوان بزرگترین انحراف سیگنال خروجی از یک خط مستقیم با دقت مطلق ترسیم شده از طریق صفر و نقطه حداکثر مقدار سیگنال خروجی تعریف می شود. . مقدار غیرخطی نباید از ± 0.5 MZ واحد تجاوز کند.
غیرخطی دیفرانسیل dl.dif هویت افزایش سیگنال مجاور را مشخص می کند. به عنوان حداقل اختلاف در خطای غیرخطی دو کوانتای مجاور در سیگنال خروجی تعریف می شود. مقدار غیرخطی دیفرانسیل نباید از دو برابر مقدار خطای غیرخطی تجاوز کند. اگر مقدار dl.diff بزرگتر از یک MZR باشد، مبدل غیر یکنواخت در نظر گرفته می شود، یعنی. در خروجی، سیگنال خروجی نمی تواند به طور یکنواخت با افزایش یکنواخت در کد ورودی افزایش یابد.
عدم یکنواختی در برخی کوانتوم ها منجر به کاهش سیگنال خروجی با افزایش کد ورودی می شود.
خطای سخت افزاری که توسط ناپایداری منبع ولتاژ مرجع، خطای سوئیچ ها، ماتریس های مقاومتی و تقویت کننده های عملیاتی خروجی تعیین می شود، خطای ابزاری نامیده می شود. عوامل اصلی ایجاد خطاهای عنصر عبارتند از: تغییرات تکنولوژیکی در پارامترها. تأثیر تغییرات محیطی (عمدتاً دما)؛ تغییرات در پارامترها در طول زمان (پیری)؛ قرار گرفتن در معرض نویز و تداخل خارجی و داخلی.
تمام خطاهای ابزاری عمدتاً به اشکال زیر ظاهر می شوند:
الف) افست صفر، که تغییر موازی مشخصه انتقال DAC از خط مستقیم متوسط را مشخص می کند (ناشی از ولتاژ آفست صفر و جریان ورودی غیر صفر آپمپ و همچنین پارامترهای باقیمانده کلیدها) ;
ب) تغییرات در ضریب انتقال، که انحراف شیب مشخصه انتقال واقعی از خط مستقیم متوسط را مشخص می کند.
ج) انحراف مشخصه انتقال مبدل از خط مستقیم ایده آل (چنین غیرخطی بودن تبدیل خود را به صورت افزایش های غیر یکسان سیگنال خروجی به عنوان تابعی از کد ورودی نشان می دهد).
ویژگی های دینامیکی DAC شامل پارامترهای زمان بندی و حداکثر فرکانس تبدیل است.
پارامترهای زمان بندی سرعت مبدل ها را تعیین می کنند. سه پارامتر زمانی وجود دارد: مرحله کوانتیزاسیون (دوره) D تی، زمان تبدیل (زمان ته نشین شدن سیگنال خروجی) تی pr، مدت چرخه تبدیل تیج
مرحله کوانتیزاسیون (دوره) D تی- فاصله زمانی بین دو تبدیل متوالی. مقدار معکوس دوره کوانتیزاسیون 1/D تی = fکیلوولت فرکانس کوانتیزاسیون نامیده می شود.
زمان راه اندازی خروجی DAC تی pr - زمان از لحظه ای که کد در ورودی های DAC تغییر می کند تا لحظه ای که مقدار مقدار آنالوگ خروجی با مقدار تعیین شده با یک مقدار مشخص متفاوت است (شکل 3.16).
برنج. 3.16. تعریف زمان تیبرای تبدیل DAC
زمان چرخه تبدیل تی ts - زمان بین لحظه ارسال کد ورودی و صدور سیگنال آنالوگ خروجی ( تی ts = تیو غیره). عمدتاً توسط سیکلوگرام ها و نمودارهای زمان بندی تعیین می شود که عملکرد اطلاعات و دستگاه ها و سیستم های محاسباتی را با مبدل های موجود توصیف می کنند.
حداکثر فرکانس تبدیل - بالاترین فرکانس نمونه برداری که در آن پارامترهای DAC با مقادیر مشخص شده مطابقت دارند.
عملکرد DAC اغلب با پالس های گذرا خاص همراه است، که پیک های تیز با دامنه بزرگ در سیگنال خروجی هستند که به دلیل تفاوت در زمان باز و بسته شدن سوئیچ های آنالوگ در DAC ایجاد می شوند. نقاط پرت به ویژه زمانی مشهود می شوند که به جای صفر در مهم ترین رقم و یک در ارقام مرتبه پایین کد، یک واحد مهم ترین رقم (MSB) را وارد می کند و کد "همه صفرها" در LSB است. به عنوان مثال، اگر کد ورودی 011...111 با کد 10...000 جایگزین شود و کلید DAC بالاتر دیرتر از بسته شدن کلیدهای پایین باز شود، سیگنال خروجی تنها یک افزایش می یابد. کوانتومی را می توان با یک پالس با دامنه 0.5 همراه کرد Uمدرسه مدت زمان این پیک مطابق با تاخیر در تغییر وضعیت کلیدها خواهد بود.
در حال حاضر، بسته به مقادیر پارامتر، DAC های دقیق و پرسرعت متمایز می شوند. DACهای دقیق dl = 0.1٪ و دارای سرعت بالا هستند تیدهان = 100 ثانیه
DAC– مبدل های دیجیتال به آنالوگ – دستگاه هایی که برای تبدیل سیگنال گسسته (دیجیتال) به سیگنال پیوسته (آنالوگ) طراحی شده اند. تبدیل متناسب با کد باینری سیگنال انجام می شود.
طبقه بندی DAC
بر اساس نوع سیگنال خروجی: با خروجی جریان و ولتاژ خروجی;
بر اساس نوع رابط دیجیتال: با ورودی سریال و با ورودی موازی کد ورودی.
با تعداد DACهای روی تراشه: تک کاناله و چند کاناله;
با سرعت: سرعت متوسط و سرعت بالا.
پارامترهای اصلی DAC:
1. N – عمق بیت.
2. حداکثر جریان خروجی.
4. مقدار ولتاژ مرجع.
5. قطعنامه.
6. سطوح ولتاژ را کنترل کنید (TTL یا CMOS).
7. خطاهای تبدیل (خطای افست خروجی صفر، خطای تبدیل مطلق، غیرخطی تبدیل، غیرخطی دیفرانسیل). 8. زمان تبدیل - فاصله زمانی از لحظه ارائه (ارسال) کد تا لحظه ظاهر شدن سیگنال خروجی.
9. زمان ته نشین شدن سیگنال آنالوگ
عناصر اصلی DAC عبارتند از:
ماتریس های مقاومتی (مجموعه ای از تقسیم کننده ها با TCR مشخص، با انحراف معین 2٪، 5٪ یا کمتر) را می توان در IC قرار داد.
سوئیچ ها (روی ترانزیستورهای دوقطبی یا MOS)؛
منبع ولتاژ مرجع
مدارهای اساسی برای ساخت DAC.
21. ADC. مقررات عمومی فرکانس نمونه برداری طبقه بندی ADC اصل عملکرد ADC موازی
با توجه به سرعت عمل، ADC ها به موارد زیر تقسیم می شوند:
1. ADC های تبدیل موازی (ADC های موازی) - ADC های پرسرعت، استفاده سخت افزاری پیچیده ای از واحد گیگاهرتز دارند. رزولوشن N = 8-12 بیت، Fg = ده ها مگاهرتز
2. ADC تقریب متوالی (شمارش متوالی) تا 10 مگاهرتز. وضوح N = 10-16 بیت، Fg = ده ها کیلوهرتز
3. ادغام ADC های صدها هرتز. وضوح N = 16-24 بیت، Fg = ده ها
4. واحدهای ADC سیگما-دلتا MHz.رزولوشن N = 16-24 بیت، Fg = صدها هرتز
22. ADC شمارش سریال. اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد.
23. ADC تقریب های متوالی. اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد.
این کد از خروجی RPP به DAC داده می شود که ولتاژ مربوطه 3/4Uinmax را تولید می کند که با Uin (روی CC) مقایسه می شود و نتیجه با پالس ساعت چهارم به همان بیت نوشته می شود. سپس این روند تا زمانی که تمام ارقام تجزیه و تحلیل شوند ادامه می یابد.
زمان تبدیل SAR ADC:
tpr = 2nTG، که در آن TG دوره تکرار پالس ژنراتور است. n – ظرفیت بیت ADC.
چنین ADC هایی از نظر سرعت نسبت به ADC های موازی پایین تر هستند، اما ارزان تر هستند و انرژی کمتری مصرف می کنند. مثال: 1113PV1.
24. اصل عملیاتی یک ADC نوع یکپارچه.
اصل عملکرد یک ADC یکپارچه بر دو اصل اساسی استوار است:
1. تبدیل ولتاژ ورودی به فرکانس یا مدت زمان پالس (زمان)
Uin → f (VLF – مبدل ولتاژ-فرکانس)
2. فرکانس یا مدت زمان (زمان) را به کد دیجیتال تبدیل کنید
f → N; T→ N.
خطای اصلی ناشی از VLF است.
این نوع ADC تبدیل را در دو مرحله انجام می دهد.
در مرحله اول، سیگنال آنالوگ ورودی یکپارچه شده و این مقدار یکپارچه به دنباله پالس تبدیل می شود. نرخ تکرار پالس ها در این دنباله یا مدت زمان آنها توسط مقدار یکپارچه سیگنال ورودی مدوله می شود.
در مرحله دوم، این دنباله از پالس ها به یک کد دیجیتال تبدیل می شود - فرکانس یا مدت زمان پالس آن اندازه گیری می شود.
