U ovom se članku razmatraju glavna pitanja vezana uz princip rada ADC-a različitih vrsta. Istovremeno, neki važni teorijski izračuni koji se tiču matematičkog opisa analogno-digitalne pretvorbe ostali su izvan okvira članka, ali su date poveznice na kojima zainteresirani čitatelj može pronaći dublje razmatranje teorijskih aspekata rada ADC-a. . Stoga se članak više bavi razumijevanjem općih principa rada ADC-a nego teorijskom analizom njihova rada.
Uvod
Kao početnu točku, definirajmo analogno-digitalnu pretvorbu. Analogno-digitalna pretvorba je proces pretvaranja ulazne fizičke veličine u njezin numerički prikaz. Analogno-digitalni pretvarač je uređaj koji obavlja ovu pretvorbu. Formalno, ulazna vrijednost ADC-a može biti bilo koja fizička veličina - napon, struja, otpor, kapacitivnost, brzina ponavljanja impulsa, kut rotacije osovine itd. No, radi određenosti, u nastavku ćemo pod ADC-om podrazumijevati isključivo pretvarače napon-kod.
Koncept analogno-digitalne pretvorbe usko je povezan s konceptom mjerenja. Mjerenje se odnosi na proces uspoređivanja izmjerene vrijednosti s određenim standardom, pri čemu se tijekom analogno-digitalne pretvorbe ulazna vrijednost uspoređuje s određenom referentnom vrijednošću (u pravilu s referentnim naponom). Dakle, A/D pretvorba se može promatrati kao mjerenje vrijednosti ulaznog signala, a na njega su primjenjivi svi mjeriteljski koncepti kao što su pogreške mjerenja.
Glavne karakteristike ADC-a
ADC ima mnoge karakteristike, od kojih su glavne frekvencija pretvorbe i dubina bita. Stopa pretvorbe obično se izražava u uzorcima u sekundi (SPS), a dubina bita je u bitovima. Moderni ADC-ovi mogu biti široki do 24 bita i imati stopu pretvorbe 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 pretvorbe i dubina bita međusobno su povezane na određeni način, a efektivnu dubinu bita konverzije možemo povećati žrtvovanjem brzine.
ADC vrste
Postoje mnoge vrste ADC-a, međutim, za potrebe ovog članka ograničit ćemo se na razmatranje samo sljedećih tipova:
- ADC paralelna pretvorba (izravna pretvorba, flash ADC)
- ADC sukcesivne aproksimacije (SAR ADC)
- delta sigma ADC (uravnotežen ADC)
ADC-i izravne (paralelne) pretvorbe imaju najveću brzinu i najmanju dubinu bita. Na primjer, TLC5540 ADC za paralelnu pretvorbu tvrtke Texas Instruments ima brzinu od 40 MSPS s 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 imaju još veće performanse, ali su kombinacija nekoliko ADC-a s nižim performansama i njihovo razmatranje je izvan dosega ovog članka.
Srednju nišu u redu brzine prijenosa zauzimaju uzastopni aproksimacijski ADC. Tipične vrijednosti su 12-18 bita sa stopom konverzije od 100KSPS-1MSPS.
Najveću točnost postižu sigma-delta ADC-ovi s kapacitetom do uključujući 24 bita i brzinom od SPS jedinica do KSPS jedinica.
Drugi tip ADC-a koji je pronašao primjenu u nedavnoj prošlosti je integrirajući ADC. Integrirajući ADC-ovi sada su uvelike zamijenjeni drugim tipovima ADC-a, ali se mogu naći u starijoj instrumentaciji.
ADC izravna pretvorba
ADC-i s izravnom pretvorbom postali su široko rasprostranjeni 1960-ih i 1970-ih, a uvedeni su u integrirane krugove 1980-ih. Često se koriste u ADC-ovima s "cjevovodom" (ne razmatraju se u ovom članku), a imaju kapacitet od 6-8 bita pri brzini do 1 GSPS.
Arhitektura ADC-a s izravnom pretvorbom prikazana je na Sl. jedan
Riža. 1. Blok dijagram ADC-a izravne pretvorbe
Princip rada ADC-a je krajnje jednostavan: ulazni signal se istovremeno dovodi na sve "plus" ulaze komparatora, a na "minus" ulaze se dovodi niz napona dobivenih iz referentnog napona dijeljenjem otpornicima R. Za krug na sl. 1 ovaj red će biti ovakav: (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 dovede napon jednak 1/2 Uref. Tada će prva 4 komparatora raditi (ako računate od dna), a logičke jedinice će se pojaviti na njihovim izlazima. Prioritetni koder će formirati binarni kod iz "stupca" jedinica, koji je fiksiran izlaznim registrom.
Sada postaju jasne prednosti i nedostaci takvog pretvarača. Svi komparatori rade paralelno, vrijeme kašnjenja kruga jednako je vremenu kašnjenja u jednom komparatoru plus vremenu kašnjenja u koderu. Komparator i enkoder se mogu napraviti vrlo brzo, kao rezultat toga, cijeli krug ima vrlo veliku brzinu.
Ali za dobivanje N bitova potrebno je 2 ^ N komparatora (a složenost kodera također raste kao 2 ^ N). Dijagram na sl. 1. sadrži 8 komparatora i ima 3 bita, za dobivanje 8 bita potrebno je 256 komparatora, za 10 bita - 1024 komparatora, za 24-bitni ADC bi ih bilo potrebno preko 16 milijuna. Međutim, tehnika još nije dostigla takvo visine.
Sukcesivna aproksimacija ADC
Analogno-digitalni pretvarač sukcesivnog aproksimacijskog registra (SAR) mjeri veličinu ulaznog signala izvodeći niz uzastopnih "ponderiranja", odnosno uspoređujući veličinu ulaznog napona s nizom vrijednosti generiranih na sljedeći način :
1. u prvom koraku se na izlazu ugrađenog digitalno-analognog pretvarača postavlja vrijednost jednaka 1 / 2Uref (u daljnjem tekstu pretpostavljamo da je signal u rasponu (0 - Uref).
2. ako je signal veći od ove vrijednosti, tada se uspoređuje s naponom koji leži u sredini preostalog intervala, tj. u ovom slučaju 3 / 4Uref. Ako je signal manji od postavljene razine, tada će se sljedeća usporedba napraviti s manje od polovice preostalog intervala (tj. s razinom 1 / 4Uref).
3. Korak 2 se ponavlja N puta. Dakle, N usporedbi ("pondera") generira N bitova rezultata.
Riža. 2. Blok dijagram uzastopnog aproksimacijskog ADC-a.
Dakle, SAR ADC se sastoji od sljedećih jedinica:
1. Komparator. Uspoređuje ulaznu vrijednost i trenutnu vrijednost napona "težine" (na sl. 2. označene trokutom).
2. Digitalno-analogni pretvarač (DAC). Generira vrijednost napona "težine" na temelju ulaznog digitalnog koda.
3. Registar uzastopne aproksimacije (Successive Approximation Register, SAR). On implementira algoritam uzastopne aproksimacije, generirajući trenutnu vrijednost koda koji se isporučuje na DAC ulaz. Sva ova ADC arhitektura je nazvana po njoj.
4. Shema zadržavanja uzorka (Sample / Hold, S / H). Za rad ovog ADC-a od temeljne je važnosti da ulazni napon ostane konstantan tijekom ciklusa pretvorbe. Međutim, "pravi" signali se s vremenom mijenjaju. Krug uzorkovanja i zadržavanja "pamti" trenutnu vrijednost analognog signala i održava je nepromijenjenom tijekom cijelog radnog ciklusa uređaja.
Prednost uređaja je njegova relativno visoka brzina pretvorbe: vrijeme pretvorbe N-bitnog ADC-a je N ciklusa takta. Točnost pretvorbe ograničena je preciznošću internog DAC-a i može biti 16-18 bita (sada su se počeli pojavljivati 24-bitni SAR ADC-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 ADC s uravnoteženim nabojem. Blok dijagram sigma-delta ADC-a prikazan je na Sl. 3.
Slika 3. Blok dijagram sigma-delta ADC-a.
Princip rada ovog ADC-a je nešto složeniji od ostalih tipova ADC-a. Njegova je bit da se ulazni napon uspoređuje s vrijednošću napona koju akumulira integrator. Impulsi pozitivnog ili negativnog polariteta dovode se na ulaz integratora, ovisno o rezultatu usporedbe. Dakle, ovaj ADC je jednostavan sustav praćenja: napon na izlazu integratora "prati" ulazni napon (slika 4). Rezultat ovog sklopa je tok nula i jedinica na izlazu komparatora, koji se zatim propušta kroz digitalni niskopropusni filtar, što rezultira N-bitnim rezultatom. LPF na sl. 3. U kombinaciji s "decimatorom", uređajem koji smanjuje stopu ponavljanja uzoraka tako što ih "decimatira".
Riža. 4. Sigma-delta ADC kao sustav za praćenje
Radi ozbiljnosti prezentacije, 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 ovdje neće biti obuhvaćeni. Zainteresirani za ovu temu mogu se obratiti.
Na sl. Slika 5 prikazuje signale u ADC-u na nultoj razini na ulazu (gore) i na razini Vref / 2 (dolje).
Riža. 5. Signali u ADC-u na različitim razinama signala na ulazu.
Sada, bez upuštanja u složenu matematičku analizu, pokušajmo razumjeti zašto sigma-delta ADC-i imaju vrlo nisku razinu intrinzične buke.
Razmotrite blok dijagram sigma-delta modulatora prikazanog na Sl. 3, i predstavite ga u ovom obliku (slika 6):
Riža. 6. Blok dijagram sigma-delta modulatora
Ovdje je komparator predstavljen kao zbrajač koji zbraja kontinuirani traženi 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), dobivamo ADC prijenosnu funkciju:
Y (s) = X (s) / (s + 1) + E (s) s / (s + 1)
Naime, sigma-delta modulator je niskopropusni filtar (1 / (s + 1)) za željeni signal i visokopropusni filtar (s / (s + 1)) za šum, oba filteri koji imaju istu graničnu frekvenciju. Šum koncentriran u visokofrekventnom području spektra lako se uklanja digitalnim niskopropusnim filtrom koji se nalazi iza modulatora.
Riža. 7. Fenomen "pomaka" šuma u visokofrekventnom dijelu spektra
Međutim, treba shvatiti da je ovo krajnje pojednostavljeno objašnjenje fenomena oblikovanja buke u sigma-delta ADC-u.
Dakle, glavna prednost sigma-delta ADC-a je visoka točnost zbog iznimno niske unutarnje buke. Međutim, za postizanje visoke točnosti potrebno je da granična frekvencija digitalnog filtra bude što niža, višestruko manja od radne frekvencije sigma-delta modulatora. Stoga sigma-delta ADC-ovi imaju malu brzinu pretvorbe.
Mogu se koristiti u audio inženjerstvu, ali se uglavnom koriste u industrijskoj automatizaciji za pretvaranje senzorskih signala, u mjernim instrumentima i u drugim aplikacijama gdje je potrebna visoka točnost. ali nije potrebna velika brzina.
Malo povijesti
Najstarija referenca ADC-a u povijesti vjerojatno je patent Paula M. Raineyja, "Facsimile Telegraph System", U.S. Patent 1,608,527, podneseno 20. srpnja 1921., izdano 30. studenog 1926. Uređaj prikazan u patentu je zapravo 5-bitni ADC s izravnom pretvorbom.
Riža. 8. Prvi patent za ADC
Riža. 9. ADC izravna konverzija (1975.)
Uređaj prikazan na slici je MOD-4100 ADC s izravnom pretvorbom iz Computer Labsa, 1975., sastavljen na temelju diskretnih komparatora. Postoji 16 komparatora (smješteni su u polukrugu, kako bi se izjednačilo kašnjenje širenja signala svakom komparatoru), dakle, ADC ima kapacitet od samo 4 bita. Brzina pretvorbe 100 MSPS, potrošnja energije 14 W.
Sljedeća slika prikazuje naprednu verziju ADC-a za izravnu pretvorbu.
Riža. 10. ADC izravna konverzija (1970.)
VHS-630 iz 1970., proizveden u Computer Labsu, imao je 64 komparatora, imao je 6 bita, 30 MSPS i trošio 100 vata (verzija VHS-675 iz 1975. imala je 75 MSPS i 130 vata).
Književnost
W. Kester. ADC Architectures I: Flash Converter. Analogni uređaji, MT-020 Vodič.
Ponekad se stječe dojam da se digitalni svijet gotovo u potpunosti spaja sa stvarnim. No, unatoč pojavi takvih sustava kao što su "gigaFLOPS", "22 nm" i mnogi drugi, stvarni svijet tvrdoglavo ostaje analogan, a ne digitalan uopće, i još uvijek moramo raditi s našim digitalnim sustavima, koji su prisutni gotovo posvuda u moderni svijet.
D/A pretvarač DAC pretvara ulazni digitalni signal u analogni izlaz. Točnost može varirati od proizvođača do proizvođača, ali ćemo opisati D/A pretvarače s razlučivosti od 8 do 16 bita i brzinama do 10 MS/s. Ovi digitalno-analogni pretvarači DAC koriste se u različitim sustavima – audio i video opremi, upravljanju procesorima, mjernim instrumentima, sustavima automatizacije, elektropogonskim sustavima i mnogim drugima. Svaki pojedinačni sustav ima individualne zahtjeve za DAC, na primjer, rezoluciju, statičke i dinamičke karakteristike, potrošnju energije i drugo.
Parametri i podatkovna tablica uključuju pogrešku pomaka, diferencijalnu nelinearnost (DNL), integralnu nelinearnost (INL) i druge parametre potrebne za pružanje dobrih performansi u DC sustavima kao što su upravljanje pogonom ili upravljanje procesom.
Neke aplikacije, kao što je generiranje signala na zaslonu monitora, naglašavaju potrebu za dobrim performansama na AC, što je navedeno u podatkovnoj tablici u smislu vremena kašnjenja, šuma i propusnosti. Izraditi sam uređaj pomoću DAC-a puno je teže nego odabrati digitalno-analogni pretvarač iz kataloga, jer će osim DAC-a, sustav uključivati mnogo više elektroničkih komponenti čiji se utjecaj također mora uzeti u obzir . U nastavku ćemo to pokušati razmotriti.
Sadržaj:
Tri glavne arhitekture za precizne DAC-ove
Prilikom odabira točnosti D/A pretvarača za vaš sustav, neophodno je da specifikacija DAC-a zadovoljava zahtjeve sustava. U usporedbi s mnoštvom ADC arhitektura, izbor D/A pretvarača može se činiti lakim zadatkom budući da postoje samo tri glavne arhitekture u DAC-u. No samo se čini da je zadatak lak, jer je razlika u izvedbi svake od arhitektura prilično značajna.
DAC koristi tri glavne arhitekture - string (serijski), R-2R, množenje DAC (MDAC).
D / A pretvarač niza
Koncept koji stoji iza niza D/A pretvarača dolazi od Lorda Kelvina od sredine 1800-ih:
Ulazni dekoder ima nekoliko prekidača, po jedan za svaki bitni uzorak. Svaki digitalni ulaz spojen je na odgovarajući napon pojačala izlaznog napona.
N-bitni DAC sastoji se od niza od 2 N podudarnih otpornika, plus izvora napona na jednom kraju i uzemljenja na drugom. Trobitni DAC (slika iznad) zahtijeva osam otpornika i sedam prekidača, ali ti brojevi rastu vrlo snažno s povećanjem dubine bita, a za 16-bitni DAC potrebno je 65536 otpornika !!! Taj je broj vrlo velik, čak i za moderne sustave. Da bi se smanjio broj otpornika, koriste se interpolacijska pojačala i odvojci za odvojene otpornike.
Niski ili serijski digitalno-analogni pretvarači dobro su prikladni za većinu preciznih primjena kao što je kontrola pokreta, sustavi automatskog upravljanja (u servo pogonima i u kontroli motora).
Izlazni napon niza DAC-a je u početku monotoničan s dobrom diferencijalnom nelinearnošću (DNL), ali njegova integralna nelinearnost (INL) nije jako dobra, jer izravno ovisi o pogrešci otpornika. Sa stajališta izmjenične struje, String DAC-ovi pokazuju niže performanse od ostalih arhitektura jer imaju relativno visoke razine šuma zbog visoke impedancije otpornika, a struktura prebacivanja dovodi do sporije obrade signala tijekom prijelaza, dok ograničava brzinu ažuriranja.
R-2R arhitektura
Ova arhitektura je najčešća među digitalno-analognim pretvaračima i njezin je sklop prikazan u nastavku:
Ova arhitektura koristi samo otpornike s dva različita otpora, među kojima su omjeri definirani kao 2 prema 1.
Kada je postavljen određeni bit, odgovarajući 2R otpornik se prebacuje na V REF - H položaj, inače se postavlja na V REF - L (uzemljenje) položaj. Rezultat je izlazni napon koji će biti zbroj svih 2R napona na ljestvici.
Arhitektura R-2R vrlo je prikladna za industrijske instalacije i uređaje. Točniji su od DAC-ova sa nizom, imaju niži šum zbog niže neto impedancije i imaju bolje INL i DNL performanse.
Pretvorba signala u R-2R pretvaraču je prebacivanje pina 2R između V REF - H i V REF - L. Unutarnji otpornici i sklopke unutar uređaja ne odgovaraju savršeno, što može dovesti do određenih kvarova tijekom procesa prebacivanja.
Množenje D / A pretvarača MDAC
Množni pretvarač MDAC također koristi R-2R arhitekturu, ali s referentnim naponom V REF. Dijagram je ispod:
Kada je bit postavljen, odgovarajući 2R otpornik je spojen na virtualnu masu - op-pojačalo za zbrajanje. Zato množenje digitalno-analognog pretvarača ne daje napon, već struju, dok referentni napon V REF može premašiti nazivni napon ili čak biti negativan.
V REF izvor vidi MDAC kao konstantni otpor R, tako da uvijek ima konstantnu izlaznu struju, što poboljšava performanse tijekom brzih prijelaza jer nema potrebe čekati da se referentni napon oporavi. Ovisno o digitalnom kodu, trenutni tok je podijeljen na izlazni pin i pin za uzemljenje. To znači da će izlazna impedancija biti drugačija, a to donekle otežava odabir vanjskog op-pojačala.
Kako bi se poboljšale performanse, MDAC izlazi uključuju unutarnji otpornik kao povratnu informaciju s toplinskim odgovorom koji otprilike odgovara internom stepenastom otporniku. Unutarnji šum iz množenja D/A pretvarača dolazi iz otpora koraka i otpora povratne sprege. Budući da je izlazna impedancija ovisna o kodu, o tome ovisi i pojačanje šuma, iako je razina šuma MDAC-a puno niža od one kod serijskih (string) DAC-ova. Vrijedi napomenuti da vanjsko operacijsko pojačalo može biti niskošumno.
Jedan od nedostataka je što je ulazni signal suprotan od izlaznog, što zauzvrat zahtijeva dodatnu operaciju invertiranja.
Razumijevanje parametara performansi AC
Da biste dobili najbolju izvedbu iz AC D/A pretvarača, potrebno je razumjeti neke suptilnosti, kao i moguće korake koje možete poduzeti za optimizaciju.
Vrijeme potrebno da op-pojačalo postigne svoju konačnu vrijednost jedan je od glavnih pokazatelja kvalitete DAC-a. Ispod su odjeljci vremena odziva digitalno-analognog pretvarača:
- Mrtvo vrijeme ( Mrtvo vrijeme): ovo je vrijeme potrebno da se dosegne 10% potrebne analogne izlazne vrijednosti, počevši od trenutka kada je digitalni kod ušao u digitalno-analogni pretvarač;
- Vrijeme porasta izlaza ( Ubijeno vrijeme): vrijeme potrebno da se analogni izlaz podigne s 10% na 90%;
- Vrijeme oporavka i poravnanja ( Vrijeme oporavka, linearno vrijeme taloženja): prekoračenje i uspostavljanje analognog signala zadanog oblika;
Nakon što je vrijednost analognog izlaznog signala unutar prihvatljivog raspona pogreške, proces se smatra dovršenim čak i ako signal još uvijek fluktuira, ali ne prelazi prihvatljivi raspon pogreške.
Prolazni odgovor pravog 18-bitnog, jednokanalnog, R-2R DAC988 DAC-a prikazan je u nastavku:
Vrijeme smirivanja se mjeri od trenutka kada LDAC signal postane nizak, nakon čega u sustavu počinje prijelazni proces. Imajte na umu da je proces opadanja signala najduži, s dugim procesom oporavka i neznatnim utjecajem statičkog signala na njega.
Pogreške pri prebacivanju
Idealna promjena izlaznog signala DAC-a je monotoni porast ili pad, ali u stvarnosti to nije slučaj, te se promjene signala događaju naglo. Za razliku od vremena poravnanja, pogreška pri prebacivanju uzrokovana je neusklađenošću unutarnjeg preklapanja (dominantni faktor) ili kapacitivnim spajanjem između digitalnih ulaznih i analognih izlaznih signala:
Pogreška je karakterizirana površinom pod pozitivnim i negativnim lažnim impulsima i mjeri se u volt-sekundama (najčešće u μV ∙ s ili nV ∙ s).
Kako se broj paralelnih sklopki povećava, povećava se i greška. To je jedan od nedostataka arhitekture R-2R. Pogreške u R-2R arhitekturi su najuočljivije pri promjeni svih bitova ili pri prebacivanju najvažnijih bitova, pri prebacivanju s 0x7FFF na 0x8000 (za 16-bitne DAC-ove).
Ako je nemoguće smanjiti broj sklopnih serijskih otpornika, oni se koriste na izlazu pretvarača, sklopovi su prikazani u nastavku:
Slika a) prikazuje najjednostavniji RC filtar, koji je instaliran na izlazu i omogućuje vam da malo smanjite amplitudu izlazne pogreške, međutim, na taj način odgađa brzinu usporavanja signala, što povećava vrijeme kašnjenja. Slika b) prikazuje opciju dodatnog uzorkovanja i zadržavanja u lancu. Da, to vam omogućuje da smanjite pogrešku na gotovo nulu, ali je izuzetno teško implementirati takvu shemu, jer nameće stroge zahtjeve za vrijeme odziva, kao i tijesnu sinkronizaciju s brzinom osvježavanja DAC-a.
Izvori buke
Buka je jedna od najvažnijih komponenti performansi modernog AC D/A pretvarača. Postoje tri glavna izvora buke - unutarnji otpornički krugovi, unutarnja i vanjska pojačala i referentni napon. Utjecaj unutarnjih otpornika na šum pretvarača razmatran je ranije u ovom članku, pa pogledajmo druga dva izvora šuma.
Šum vanjskog op-pojačala
Izlaz DAC pojačala je još jedan izvor šuma. MDAC koristi vanjsko op-pojačalo, ali druge arhitekture koriste interno op-pojačalo, što utječe na ukupni izlazni šum.
Šum u krugu op-pojačala ima tri glavne komponente:
- 1 / f šum ili šum treperenja;
- Širokopojasni naponski šum ili bijeli šum;
- Šumovi napona i struja na otpornicima;
Prva dva se smatraju intrinzičnim svojstvima samog op-pojačala, a propusnost je ograničena samim DAC-om, što uvelike smanjuje učinak širokopojasnog šuma. Za najbolje izmjenične performanse, razmotrite op pojačala s niskim 1/f bukom.
Šum od vanjskog referentnog napona V REF
Izlazni šum DAC-a izravno je povezan sa šumom u referentnom naponu, koji može biti vanjski ili unutarnji. Za maksimalnu izvedbu i minimalni šum koristite kvalitetne reference napona. Postoji veliki izbor referentnih napona od nekoliko proizvođača.
Zaključak
Dobivanje najbolje izvedbe izmjenične struje od preciznog DAC-a kombinacija je razumijevanja specifikacija, odabira prave arhitekture i dodavanja pravih vanjskih komponenti, te, naravno, praćenja dokazanih tehnika za odabir i dimenzioniranje elektroničkih komponenti.
Digitalno-analogni pretvarači (DAC) - dizajniran za pretvaranje digitalnih signala u analogne. Takva je pretvorba nužna, na primjer, pri vraćanju analognog signala, prethodno pretvorenog u digitalni za prijenos na velike udaljenosti ili pohranjivanje (takav signal, posebice, može biti zvuk). Drugi primjer korištenja takve pretvorbe je dobivanje upravljačkog signala za digitalno upravljanje uređajima, čiji je način rada određen izravno analognim signalom (što se, posebice, događa kod upravljanja motorima).
(xtypo_quote) Glavni parametri DAC-a uključuju razlučivost, vrijeme poravnanja, pogrešku nelinearnosti, itd. (/ xtypo_quote)
Rezolucija je recipročna vrijednost maksimalnog broja koraka za kvantiziranje analognog izlaznog signala. Vrijeme postavljanja t set - vremenski interval od primjene koda na ulaz do trenutka kada izlazni signal uđe u navedene granice, određene pogreškom. Pogreška nelinearnosti je maksimalno odstupanje grafa ovisnosti izlaznog napona o naponu određenom digitalnim signalom u odnosu na idealnu ravnu liniju u cijelom rasponu pretvorbe.
Kao i oni koji se razmatraju, DAC-ovi su "veza" između analogne i digitalne elektronike. Postoje različiti principi za konstruiranje ADC-a.
DAC krug sa zbrajanjem težinskih struja
Na sl. 3.88 prikazuje DAC krug sa zbrajanjem struja težine.
Ključ S 5 je zatvoren samo kada su svi ključevi S 1 ... S 4 otvoreni (s u out = 0). U 0
- referentni napon. Svaki otpornik u ulaznom krugu odgovara određenom bitu binarnog broja.
Ovaj DAC je u biti invertujuće pojačalo bazirano na op-amp. Analiza takve sheme nije teška. Dakle, ako je jedan ključ zatvoren
S1, tada je u out = −U 0 R oc / R
što odgovara prvoj i nulama u preostalim znamenkama.
Iz analize sklopa proizlazi da je modul izlaznog napona proporcionalan broju, čiji je binarni kod određen stanjem tipki S 1 ... S 4. Struje tipki S 1 ... S 4 zbrajaju se u točki "a", a struje različitih tipki su različite (imaju različitu "težinu"). Ovo određuje naziv kruga.
Iz navedenog slijedi da je 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)
gdje S i, i = 1, 2, 3, 4 poprima vrijednost 1 ako je odgovarajući ključ zatvoren, a 0 ako je ključ otvoren.
Stanje ključeva određeno je ulaznim transformiranim kodom. Krug je jednostavan, ali ima nedostatke: značajne promjene napona na tipkama i korištenje otpornika s vrlo različitim otporima. Teško je osigurati potrebnu točnost ovih otpora.
DAC baziran na otpornoj matrici R - 2R
Razmotrimo DAC baziran na otpornoj matrici R - 2R (matrica konstantnog otpora) (slika 3.89). 
U krugu se koriste tzv. preklopne tipke S 1 ... S 4, od kojih je svaka u jednom od stanja spojena na zajedničku točku, pa su naponi na tipkama niski. Ključ S 5 je zatvoren samo kada su svi ključevi S 1 ... S 4 spojeni na zajedničku točku. Ulazni krug koristi otpornike sa samo dvije različite vrijednosti otpora.
Iz analize kruga možete vidjeti da je za njega modul izlaznog napona proporcionalan broju, čiji je binarni kod određen stanjem tipki S 1 ... S 4. Analizu je lako provesti s obzirom na sljedeće. Neka je svaki od ključeva S 1 ... S 4 spojen na zajedničku točku. Tada je, kao što je lako vidjeti, napon u odnosu na zajedničku točku u svakoj sljedećoj točki "a" ... "d" 2 puta veći nego u prethodnoj. Na primjer, napon u točki "b" je 2 puta veći nego u točki "a" (naponi U a, U b, U c i U d u tim točkama određuju se na sljedeći način:
Pretpostavimo da se stanje navedenih ključeva promijenilo. Tada se naponi u točkama "a" ... "d" neće promijeniti, budući da je napon između ulaza operacijskog pojačala praktički jednak nuli.
Iz navedenog proizlazi da:
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)
gdje S i, i = 1, 2, 3, 4 poprima vrijednost 1 ako je odgovarajući ključ zatvoren, a 0 ako je ključ otvoren.
DAC za BCD pretvorbu
Razmislite o pretvorbi digitalno-analognog pretvarača (BCD) (slika 3.90).
Zasebna matrica R - 2R (označena pravokutnicima) koristi se za predstavljanje svake znamenke decimalnog broja. Z 0 ... Z 3 označavaju brojeve određene stanjem ključeva svake matrice R - 2R. Princip rada postaje jasan ako uzmemo u obzir da je otpor svake matrice R, i ako analiziramo fragment kruga prikazanog na Sl. 3.91. 
Iz analize proizlazi da
U 2 = U 1 · [(R || 9R) / (8,1R + R || 9R)]
R || 9R = (R 9R) / (R + 9R) = 0,9R
Prema tome, U 2 = 0,1 U 1. Imajući ovo na umu, dobivamo
u izlaz = - (U 0 R oc / 16R) 10 −3 (10 3 Z 3 + 10 2 Z 2 + 10 Z 1 + Z 0)
Najčešći su DAC-ovi 572, 594, 1108, 1118 i drugi. 3.2 su dati ...
Parametri nekih DAC-ova
Analogno digitalni pretvarač(ADC, engleski Analog-to-digital converter, ADC) - uređaj koji pretvara ulazni analogni signal u diskretni kod (digitalni signal). Reverzna pretvorba se provodi pomoću DAC-a (digitalno-analogni pretvarač, DAC).
Tipično, ADC je elektronički uređaj koji pretvara napon u binarni digitalni kod. Međutim, neke neelektroničke uređaje s digitalnim izlazom također treba klasificirati kao ADC, kao što su neke vrste pretvarača kut-kod. Najjednostavniji jednobitni binarni ADC je komparator.
Dozvola
Rezolucija ADC-a – minimalna promjena vrijednosti analognog signala koji se može konvertirati danim ADC-om – povezana je s njegovim kapacitetom. U slučaju jednog mjerenja bez uzimanja u obzir šuma, rezolucija je izravno određena kapacitetom ADC-a.
Kapacitet ADC-a karakterizira broj diskretnih vrijednosti koje pretvarač može proizvesti na izlazu. U binarnim ADC-ima se mjeri u bitovima, u ternarnim ADC-ima se mjeri u tritesima. Na primjer, binarni 8-bitni ADC može proizvesti 256 diskretnih vrijednosti (0 ... 255), budući da je ternarni 8-bitni ADC sposoban proizvesti 6561 diskretnu vrijednost, budući da.
Razlučivost napona jednaka je razlici napona koja odgovara maksimalnom i minimalnom izlaznom kodu podijeljenom s brojem diskretnih izlaznih vrijednosti. Na primjer:
Ulazni raspon = 0 do 10 volti
Binarni ADC 12 bita: 212 = 4096 razina kvantizacije
Binarna rezolucija ADC napona: (10-0) / 4096 = 0,00244 volta = 2,44 mV
Dubina bita ternarnog ADC 12 trit: 312 = 531 441 razina kvantizacije
Razlučivost napona ternarnog ADC-a: (10-0) / 531441 = 0,0188 mV = 18,8 μV
Ulazni raspon = -10 do +10 volti
Bit ADC 14 bita: 214 = 16384 razine kvantizacije
Binarna rezolucija ADC napona: (10 - (- 10)) / 16384 = 20/16384 = 0,00122 volta = 1,22 mV
Dubina bita ternarnog ADC 14 trit: 314 = 4 782 969 razina kvantizacije
Razlučivost napona ternarnog ADC-a: (10 - (- 10)) / 4782969 = 0,00418 mV = 4,18 μV
U praksi je rezolucija ADC-a ograničena omjerom signal-šum ulaznog signala. S visokim intenzitetom šuma na ulazu ADC-a postaje nemoguće razlikovati susjedne razine ulaznog signala, odnosno pogoršava se rezolucija. U ovom slučaju, stvarno dostižna rezolucija opisuje se efektivnim brojem bitova (ENOB), koji je manji od stvarne dubine bita ADC-a. Prilikom pretvaranja vrlo šumnog signala, najmanji bitovi izlaznog koda su praktički beskorisni, budući da sadrže šum. Da bi se postigla deklarirana širina bita, omjer S/N ulaznog signala trebao bi biti približno 6 dB za svaki bit dubine bita (6 dB odgovara četverostrukoj promjeni razine signala).
Vrste konverzije
Prema metodi koju koriste algoritmi, ADC se dijeli na:
Uzastopno naprijed nabrajanje
Sukcesivna aproksimacija
Serijska sigma-delta modulacija
Paralelni jednostupanjski
Paralelni dvo ili više stupnjeva (transporter)
Prijenosna karakteristika ADC-a je ovisnost numeričkog ekvivalenta izlaznog binarnog koda o vrijednosti ulaznog analognog signala. Oni govore o linearnim i nelinearnim ADC-ima. Ova podjela je uvjetna. Obje karakteristike prijenosa su stepenaste. Ali za "linearne" ADC-ove uvijek je moguće nacrtati takvu ravnu liniju tako da sve točke prijenosne karakteristike odgovaraju ulaznim vrijednostima delta * 2 ^ k (gdje je delta korak uzorkovanja, k leži u rasponu 0 ..N, gdje je N širina bita ADC) jednako udaljena od njega.
Točnost
Postoji nekoliko izvora ADC greške. Pogreške kvantizacije i (pod pretpostavkom da bi ADC trebao biti linearan) nelinearnosti svojstvene su svakoj A/D pretvorbi. Osim toga, postoje takozvane greške otvora blende koje su posljedica podrhtavanja generatora takta, a pojavljuju se kada se signal pretvara u cjelini (a ne samo u jednom uzorku).
Te se pogreške mjere u jedinicama koje se nazivaju LSB - najmanji značajan bit. U gornjem primjeru 8-bitnog binarnog ADC-a, pogreška u 1 LSB-u je 1/256 punog raspona signala, odnosno 0,4%, u 5-bitnom ternarnom ADC-u, pogreška u 1 LSB-u je 1/243 cijelog raspona signala, odnosno 0,412%, u 8-bitnom ternarnom ADC-u pogreška u 1 LSM-u je 1/6561, odnosno 0,015%.
ADC vrste
Sljedeći su glavni načini za izgradnju elektroničkih ADC-ova:
ADC izravna konverzija:
Paralelni ADC-ovi s izravnom pretvorbom, potpuno paralelni s ADC-ovima, sadrže jedan komparator za svaku diskretnu ulaznu razinu. U svakom trenutku samo komparatori koji odgovaraju razinama ispod razine ulaznog signala daju višak signala na svom izlazu. Signali iz svih komparatora idu ili izravno u paralelni registar, zatim se kod obrađuje softverski, ili u hardverski logički koder koji generira potrebni digitalni kod u hardveru, ovisno o kodu na ulazu kodera. Podaci iz enkodera zapisuju se u paralelni registar. Brzina uzorkovanja paralelnih ADC-a općenito ovisi o hardverskim karakteristikama analognih i logičkih vrata, kao i o potrebnoj stopi uzorkovanja.
ADC s paralelnom izravnom pretvorbom su najbrži, ali obično imaju razlučivost ne veću od 8 bita, budući da zahtijevaju visoke troškove hardvera (komparatori). ADC-ovi ovog tipa imaju vrlo veliku veličinu čipa, visoku ulaznu kapacitivnost i mogu proizvesti kratkoročne izlazne pogreške. Često se koristi za video ili druge visokofrekventne signale, a naširoko se koristi u industriji za praćenje procesa koji se brzo mijenjaju u stvarnom vremenu.
Cjevovodni rad ADC-a koristi se u ADC-ovima s paralelno-serijskom izravnom pretvorbom, za razliku od normalnog rada paralelno-serijskih ADC-ova s izravnom pretvorbom, u kojem se podaci prenose nakon potpune pretvorbe, tijekom rada cjevovoda, podaci djelomične pretvorbe se prenose kao čim bude spreman dok se potpuna pretvorba ne završi.
Uzastopni aproksimacijski ADC, ili bit-balansirani ADC, sadrži komparator, pomoćni DAC i uzastopni aproksimacijski registar. ADC pretvara analogni signal u digitalni u N koraka, gdje je N kapacitet ADC-a. U svakom koraku određuje se jedan bit željene digitalne vrijednosti, počevši od NWR-a i završavajući s MWR-om. Slijed radnji za određivanje sljedećeg bita je sljedeći. Pomoćni DAC se postavlja na analognu vrijednost formiranu od bitova već definiranih u prethodnim koracima; bit koji se treba odrediti u ovom koraku je postavljen na 1, najmanji bitovi su postavljeni na 0. Vrijednost dobivena na pomoćnom DAC-u uspoređuje se s ulaznom analognom vrijednošću. Ako je vrijednost ulaznog signala veća od vrijednosti na pomoćnom DAC-u, tada se utvrđeni bit postavlja na 1, inače na 0. Dakle, određivanje konačne digitalne vrijednosti je poput binarnog pretraživanja. ADC-i ovog tipa imaju i veliku brzinu i dobru rezoluciju. Međutim, u nedostatku uređaja za pohranu uzorka, pogreška će biti mnogo veća (zamislite da se nakon digitalizacije najvećeg bita signal počinje mijenjati).
ADC diferencijalnog kodiranja (engleski delta-encoded ADC) sadrže reverzni brojač, kod s kojeg ide na pomoćni DAC. Ulazni signal i signal iz pomoćnog DAC-a uspoređuju se na komparatoru. Zbog negativne povratne sprege od komparatora prema brojaču, kod na brojaču se stalno mijenja kako bi se signal pomoćnog DAC-a što manje razlikovao od ulaznog signala. Nakon nekog vremena razlika između signala postaje manja od LSM-a, dok se kod brojača čita kao digitalni izlazni signal ADC-a. ADC-i ovog tipa imaju vrlo velik raspon ulaznog signala i visoku rezoluciju, ali vrijeme pretvorbe ovisi o ulaznom signalu, iako je ograničeno odozgo. U najgorem slučaju, vrijeme konverzije je jednako Tmax = (2q) / fs, gdje je q kapacitet ADC-a, fs je frekvencija generatora brojača sata. ADC-ovi s diferencijalnim kodiranjem obično su dobar izbor za digitalizaciju signala iz stvarnog svijeta, budući da većina signala u fizičkim sustavima nije sklona skokovima. Neki ADC koriste kombinirani pristup: diferencijalno kodiranje i uzastopna aproksimacija; ovo djeluje posebno dobro u slučajevima kada je poznato da su visokofrekventne komponente u signalu relativno male.
ADC-ovi za usporedbu rampe (neki ADC-ovi ovog tipa nazivaju se Integrirajući ADC-i, također uključuju sekvencijalne ADC-e) sadrže pilasti generator napona (u sekvencijalnim ADC-om, korakni generator napona koji se sastoji od brojača i DAC-a), komparator i brojač vremena. Pilasti valni oblik raste linearno od niskog prema visokom, a zatim brzo pada na nisko. Na početku uspona počinje brojač vremena. Kada pilasti signal dosegne ulaznu razinu, komparator se aktivira i zaustavlja brojač; vrijednost se očitava s brojača i dovodi na izlaz ADC-a. Ovaj tip ADC je najjednostavniji u strukturi i sadrži minimalni broj elemenata. Istodobno, najjednostavniji ADC ovog tipa imaju prilično nisku točnost i osjetljivi su na temperaturu i druge vanjske parametre. Pilasti generator se može izgraditi oko brojača i pomoćnog DAC-a kako bi se povećala točnost, ali ova struktura nema drugih prednosti u odnosu na uzastopne aproksimacijske i diferencijalno kodirane ADC-ove.
ADC s balansiranjem naboja (to uključuje ADC s dvostupanjskom integracijom, ADC s višestupanjskom integracijom i neki drugi) sadrže generator konstantne struje, komparator, strujni integrator, generator takta i brojač impulsa. Transformacija se odvija u dvije faze (dvostupanjska integracija). U prvom koraku vrijednost ulaznog napona pretvara se u struju (proporcionalnu ulaznom naponu), koja se dovodi u strujni integrator, čiji je naboj u početku nula. Ovaj proces traje TN vrijeme, gdje je T period generatora takta, N je konstanta (veliki cijeli broj, određuje vrijeme nakupljanja naboja). Nakon tog vremena, ulaz integratora se odvaja od ADC ulaza i spaja na generator konstantne struje. Polaritet generatora je takav da smanjuje naboj pohranjen u integratoru. Proces pražnjenja traje sve dok se punjenje u integratoru ne smanji na nulu. Vrijeme pražnjenja mjeri se brojanjem taktnih impulsa od trenutka kada pražnjenje počne do nulte napunjenosti integratora. Izbrojani broj taktnih impulsa bit će izlazni kod ADC-a. Može se pokazati da je broj impulsa n, koji se broji tijekom vremena pražnjenja, jednak: n = Uin N (RI0) −1, gdje je Uin ulazni napon ADC-a, N broj impulsa u akumulaciji stupanj (definiran gore), R je otpor otpornika koji pretvara ulazni napon u struju, I0 je vrijednost struje iz generatora stabilne struje, koja prazni integrator u drugom stupnju. Dakle, potencijalno nestabilni parametri sustava (prije svega, kapacitet kondenzatora integratora) nisu uključeni u konačni izraz. To je posljedica dvofaznog procesa: pogreške unesene u prvoj i drugoj fazi međusobno se oduzimaju. Čak ni dugoročna stabilnost generatora takta i napona pristranosti komparatora nisu nametnuti: ovi parametri moraju biti stabilni samo kratko vrijeme, odnosno tijekom svake pretvorbe (ne više od 2TN). Zapravo, princip dvostupanjske integracije omogućuje vam da izravno pretvorite omjer dviju analognih veličina (ulazna i referentna struja) u omjer brojčanih kodova (n i N u gore definiranim terminima) uz malu ili nikakvu dodatnu pogrešku. Tipični ADC-ovi ovog tipa su široki od 10 do 18 bita. Dodatna prednost je mogućnost izrade pretvarača koji su neosjetljivi na periodične smetnje (na primjer, smetnje iz mrežnog napajanja) zbog točne integracije ulaznog signala u fiksnom vremenskom intervalu. Nedostatak ovog tipa ADC-a je niska brzina konverzije. U mjernim instrumentima visoke preciznosti koriste se ADC-i s uravnoteženim nabojem.
ADC sa srednjom pretvorbom u brzinu ponavljanja impulsa. Signal iz senzora prolazi kroz pretvarač razine, a zatim kroz pretvarač napona u frekvenciju. Dakle, signal se šalje izravno na ulaz logičkog kruga, čija je karakteristika samo frekvencija impulsa. Logički brojač prihvaća te impulse na ulazu tijekom vremena uzorkovanja, dajući tako svom kraju kombinaciju koda, numerički jednaku broju impulsa koji su stigli na pretvarač tijekom vremena uzorkovanja. Takvi ADC-i su prilično spori i nisu baš precizni, ali su unatoč tome vrlo jednostavni za implementaciju i stoga imaju nisku cijenu.
Sigma-delta-ADC (također nazvan delta-sigma ADC) izvodi analogno-digitalnu pretvorbu s mnogo puta većom brzinom uzorkovanja od potrebne i filtriranjem ostavlja samo traženi spektralni pojas u signalu.
Neelektronički ADC-i se obično grade na istim principima.
Komercijalni ADC
U pravilu se proizvode u obliku mikro krugova.
Za većinu ADC-a, širina bita je od 6 do 24 bita, brzina uzorkovanja je do 1 MHz. Dostupni su i mega i gigaherc ADC (veljača 2002.). Megahertz ADC-i su potrebni u digitalnim video kamerama, uređajima za snimanje videa i digitalnim TV tunerima za digitalizaciju kompozitnog video signala. Komercijalni ADC obično imaju izlaznu grešku od ± 0,5 do ± 1,5 LSB.
Jedan od čimbenika koji povećavaju cijenu IC-a je broj pinova, budući da oni tjeraju da se paket poveća i svaki pin mora biti spojen na matricu. Kako bi se smanjio broj pinova, često ADC-ovi koji rade pri niskim brzinama uzorkovanja imaju serijsko sučelje. Serijski ADC-i se često koriste za povećanje gustoće ožičenja i stvaranje manje ploče.
Često ADC mikrosklopovi imaju nekoliko analognih ulaza povezanih unutar mikrosklopa na jedan ADC preko analognog multipleksora. Različiti modeli ADC-a mogu uključivati uređaje za držanje uzorka, instrumentalna pojačala ili visokonaponski diferencijalni ulaz i druge slične sklopove.
Ostale aplikacije
Analogno-digitalna pretvorba koristi se svugdje gdje je potrebno primiti analogni signal i obraditi ga digitalno.
Posebni video ADC-i se koriste u računalnim TV tunerima, video ulaznim karticama i video kamerama za digitalizaciju video signala. Mikrofonski i linijski audio ulazi računala spojeni su na audio-ADC.
ADC-ovi su sastavni dio sustava za prikupljanje podataka.
8-12-bitni sukcesivni ADC i 16-24-bitni sigma-delta ADC ugrađeni su u mikrokontrolere s jednim čipom.
U digitalnim osciloskopima potrebni su vrlo brzi ADC-i (koriste se paralelni i cjevovodni ADC-i)
Moderne vage koriste ADC-e do 24 bita, koji pretvaraju signal izravno iz senzora za mjerenje naprezanja (sigma-delta-ADC).
ADC su dio radio modema i drugih uređaja za prijenos podataka radija, gdje se koriste zajedno s DSP procesorom kao demodulator.
Ultrabrzi ADC-i se koriste u antenskim sustavima baznih stanica (tzv. SMART antene) i u nizovima radarskih antena.
Digitalno-analogni pretvarač (DAC) - uređaj za pretvaranje digitalnog (obično binarnog) koda u analogni signal (struja, napon ili naboj). D/A pretvarači su sučelje između diskretnog digitalnog svijeta i analognih signala.
Analogno-digitalni pretvarač (ADC) obavlja suprotnu operaciju.
Audio DAC obično prima digitalni signal na svom ulazu u modulaciji impulsnog koda (PCM, pulsno-code modulation). Zadatak pretvaranja različitih komprimiranih formata u PCM rješavaju odgovarajući kodeci.
Primjena
DAC se uvijek koristi kada je potrebno pretvoriti signal iz digitalnog u analogni, na primjer, u CD playerima (Audio CD).
DAC vrste
Najčešći tipovi elektroničkih DAC-ova su:
Modulator širine impulsa je najjednostavniji tip DAC-a. Stabilni izvor struje ili napona se periodično uključuje na vrijeme proporcionalno pretvorenom digitalnom kodu, a zatim se rezultirajući slijed impulsa filtrira analognim niskopropusnim filtrom. Ova metoda se često koristi za kontrolu brzine elektromotora, a također postaje popularna u Hi-Fi audio opremi;
DAC-ovi za prekomjerno uzorkovanje, kao što su sigma-delta DAC-ovi, temelje se na promjenjivoj gustoći impulsa. Prekomjerno uzorkovanje omogućuje korištenje DAC-a s manjom dubinom bita za postizanje veće dubine bita konačne pretvorbe; često se delta-sigma DAC-ovi temelje na najjednostavnijem 1-bitnom DAC-u koji je gotovo linearan. Niskobitni DAC prima impulsni signal s moduliranom gustoćom impulsa (s konstantnom širinom impulsa, ali s promjenjivim radnim ciklusom), stvoren korištenjem negativne povratne sprege. Negativna povratna sprega djeluje kao visokopropusni filtar za šum kvantizacije.
Većina DAC-ova velikog kapaciteta (preko 16 bita) izgrađena je na ovom principu zbog svoje visoke linearnosti i niske cijene. Delta-sigma DAC performanse doseže stotine tisuća uzoraka u sekundi, dubina bita - do 24 bita. Jednostavan delta-sigma modulator prvog ili višeg reda kao što je MASH (Multi stage noise SHaping) može se koristiti za generiranje moduliranog signala gustoće impulsa. Kako se povećava stopa preduzorkovanja, zahtjevi za izlazni niskopropusni filtar se ublažavaju i poboljšava se potiskivanje šuma kvantizacije;
DAC tipa vaganja, u kojem svaki bit pretvorenog binarnog koda odgovara otporniku ili izvoru struje spojenom na zajedničku točku zbrajanja. Struja izvora (vodljivost 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 točnost zbog potrebe za skupom mnogo različitih preciznih izvora ili otpornika i promjenjivom impedancijom. Iz tog razloga, ponderirani DAC-ovi nisu široki više od osam bita;
Ljestve DAC (lančani krug R-2R). U R-2R-DAC vrijednosti se stvaraju u posebnom krugu koji se sastoji od otpornika s otporima R i 2R, koji se naziva matrica konstantne impedancije, koja ima dvije vrste prebacivanja: izravnu - matrica struja i inverznu - a matrica napona. Korištenje istih otpornika može značajno poboljšati točnost u usporedbi s konvencionalnim DAC-om za vaganje, budući da je relativno lako proizvesti skup preciznih elemenata s istim parametrima. DAC tipa R-2R dopuštaju poništavanje ograničenja širine bita. S laserski obrubljenim otpornicima na jednoj podlozi postiže se točnost od 20-22 bita. Većina vremena pretvorbe provodi se u operacijskom pojačalu, tako da bi trebao imati maksimalne performanse. Brzina DAC-a od nekoliko mikrosekundi ili manje (tj. nanosekunde);
Tehnički podaciDAC-ovi se nalaze na početku analognog puta bilo kojeg sustava, stoga parametri DAC-a u velikoj mjeri određuju parametre cijelog sustava u cjelini. Sljedeće su najvažnije karakteristike DAC-a.
Dubina bita je broj različitih razina izlaznog signala koje DAC može reproducirati. Obično se daje u bitovima; broj bitova je logaritam baze 2 broja razina. Na primjer, jednobitni DAC može reproducirati dvije () razine, a osmobitni DAC sposoban je reproducirati 256 () razina. Dubina bita usko je povezana s efektivnom dubinom bita (ENOB, Effective Number of Bits), što pokazuje stvarnu razlučivost koja se može postići na danom DAC-u.
Maksimalna brzina uzorkovanja je maksimalna frekvencija na kojoj DAC može raditi kako bi proizveo ispravan izlaz. U skladu s Nyquist - Shannon teoremom (poznatim i kao Kotelnikov teorem), za ispravnu reprodukciju analognog signala iz digitalnog oblika, potrebno je da frekvencija uzorkovanja bude barem dvostruko veća od maksimalne frekvencije u spektru signala. Na primjer, za reprodukciju cjelokupnog audio frekvencijskog raspona čujnog čovjeka, čiji se spektar proteže do 20 kHz, potrebno je uzorkovanje audio signala frekvencijom od najmanje 40 kHz. Audio CD standard postavlja stopu uzorkovanja zvuka na 44,1 kHz; da biste reproducirali ovaj signal, potreban vam je DAC koji može raditi na ovoj frekvenciji. U jeftinim računalnim zvučnim karticama, brzina uzorkovanja je 48 kHz. Signali uzorkovani na drugim frekvencijama su preduzorkovani do 48 kHz, što djelomično degradira kvalitetu signala.
Monotonija je svojstvo DAC-a da povećava analogni izlazni signal kako se povećava ulazni kod.
THD + N (Total Harmonic Distortion + Noise) je mjera izobličenja i šuma koje DAC unosi u signal. Izražava se kao postotak snage harmonika i šuma u izlaznom signalu. Važan parametar za male signalne DAC aplikacije.
Dinamički raspon je omjer najvećeg i najmanjeg signala koji DAC može reproducirati, izražen u decibelima. Ovaj parametar se odnosi na širinu bita i prag šuma.
statičke karakteristike:
DNL (diferencijalna nelinearnost) - karakterizira kako se prirast analognog signala, dobiven kada se kod poveća za 1 najmanji značajan bit (LSB), razlikuje od ispravne vrijednosti;
INL (integralna nelinearnost) - karakterizira koliko se prijenosna karakteristika DAC-a razlikuje od idealne. Idealna karakteristika je strogo linearna; INL pokazuje koliki je napon na DAC izlazu za dati kod od linearne karakteristike; izraženo u minimalnoj plaći;
dobitak;
pristranost.
frekvencijske karakteristike:
SNDR (omjer signal-šum + izobličenje) - karakterizira u decibelima omjer snage izlaznog signala prema ukupnoj snazi šuma i harmonijskog izobličenja;
HDi (koeficijent i-tog harmonika) - karakterizira omjer i-tog harmonika prema temeljnom harmoniku;
THD (Total Harmonic Distortion) - omjer ukupne snage svih harmonika (osim prvog) i snage prvog harmonika
Digitalno-analogni pretvarač (DAC) je uređaj za pretvaranje digitalnog koda u analogni signal razmjerno vrijednosti koda.
DAC-ovi se koriste za povezivanje digitalnih upravljačkih sustava s uređajima koji su kontrolirani razinom analognog signala. Također, DAC je sastavni dio mnogih struktura analogno-digitalnih uređaja i pretvarača.
DAC karakterizira funkcija pretvorbe. Povezuje promjenu digitalnog koda s promjenom napona ili struje. Funkcija DAC pretvorbe izražava se na sljedeći način
U van- vrijednost izlaznog napona koja odgovara digitalnom kodu N u napaja se na DAC ulaze.
U max- maksimalni izlazni napon koji odgovara primjeni maksimalnog koda na ulaze N max
Vrijednost Za dac, definiran omjerom, naziva se koeficijent digitalno-analogne pretvorbe. Unatoč stepenastom obliku karakteristike povezane s diskretnom promjenom ulazne vrijednosti (digitalni kod), vjeruje se da su DAC linearni pretvarači.
Ako vrijednost N u predstavlja kroz vrijednosti težina njegovih znamenki, funkcija transformacije može se izraziti na sljedeći način
, gdje
i- bitni broj ulaznog koda N u; A i- značenje i-ta znamenka (nula ili jedan); U i - težina i-th kategorija; n je broj bitova ulaznog koda (broj DAC bitova).
Težina pražnjenja određena je za određenu dubinu bita i izračunava se pomoću sljedeće formule
U OP - DAC referentni napon
Princip rada većine DAC-ova je zbrajanje udjela analognih signala (težina bita), ovisno o ulaznom kodu.
DAC se može implementirati zbrajanjem struja, zbrajanjem napona i dijeljenjem napona. U prvom i drugom slučaju, u skladu s vrijednostima bitova ulaznog koda, zbrajaju se signali generatora struja i izvora EMF-a. Potonji je kodom kontrolirani djelitelj napona. Posljednje dvije metode nisu široko korištene zbog praktičnih poteškoća u njihovoj provedbi.
Metode implementacije DAC-a s ponderiranim zbrajanjem struja
Razmotrimo konstrukciju najjednostavnijeg DAC-a s ponderiranim zbrajanjem struja.
Ovaj DAC se sastoji od skupa otpornika i sklopa sklopki. Broj ključeva i broj otpornika jednak je broju bitova n unos koda. Vrijednosti otpornika odabiru se u skladu s binarnim zakonom. Ako je R = 3 oma, onda je 2R = 6 ohma, 4R = 12 oma i tako dalje, t.j. svaki sljedeći otpornik je 2 puta veći od prethodnog. Kada je izvor napona spojen i ključevi su zatvoreni, struja će teći kroz svaki otpornik. Vrijednosti struja preko otpornika, zbog odgovarajućeg izbora njihovih snaga, također će biti raspoređene prema binarnom zakonu. Prilikom predaje ulaznog koda N u tipke se uključuju u skladu s vrijednošću odgovarajućih bitova ulaznog koda. Ključ je zatvoren ako je odgovarajuća znamenka jednaka jedan. U ovom slučaju, struje proporcionalne težinama ovih pražnjenja zbrajaju se u čvoru, a vrijednost struje koja teče iz čvora kao cjeline bit će proporcionalna vrijednosti ulaznog koda N u.
Otpor matričnih otpornika odabran je prilično velik (desetke kΩ). Stoga, u većini praktičnih slučajeva, DAC igra ulogu izvora struje za opterećenje. Ako je potrebno dobiti napon na izlazu pretvarača, tada se na izlazu takvog DAC-a instalira strujno-naponski pretvarač, na primjer, na operativno pojačalo
Međutim, kada se promijeni kod na DAC ulazima, mijenja se količina struje koja se povlači iz izvora referentnog napona. To je glavni nedostatak ove metode izgradnje DAC-a. . Ova metoda konstrukcije može se koristiti samo ako će referentni napon biti s malim unutarnjim otporom. U drugom slučaju, u trenutku promjene ulaznog koda, struja uzeta iz izvora se mijenja, što dovodi do promjene pada napona na njegovom unutarnjem otporu i, zauzvrat, do dodatne promjene izlazne struje koja nije izravno povezana na promjenu koda. Ovaj nedostatak može se eliminirati strukturom DAC-a s prekidačima.
Ova struktura ima dva izlazna čvora. Ovisno o vrijednosti bitova ulaznog koda, ključevi koji im odgovaraju spojeni su na čvor povezan s izlazom uređaja, ili na drugi čvor, koji je najčešće uzemljen. U tom slučaju kroz svaki otpornik matrice struja teče stalno, bez obzira na položaj ključa, a količina struje koja se troši iz referentnog izvora napona je konstantna.
Zajednički nedostatak obje razmatrane strukture je veliki omjer između najmanje i najveće vrijednosti matričnih otpornika. Istodobno, unatoč velikoj razlici u ocjenama otpornika, potrebno je osigurati jednaku apsolutnu točnost ugradnje i najvećeg i najmanjeg otpornika. U integriranoj verziji DAC-a s brojem znamenki većim od 10, prilično ga je teško pružiti.
Strukture na bazi otpornih R-2R matrice
Ovom konstrukcijom otporne matrice struja u svakoj idućoj paralelnoj grani je dva puta manja nego u prethodnoj. Prisutnost samo dva otpornika u matrici olakšava podešavanje njihovih vrijednosti.
Izlazna struja za svaku od prikazanih struktura proporcionalna je istovremeno ne samo vrijednosti ulaznog koda, već i vrijednosti referentnog napona. Često se kaže da je proporcionalan umnošku dvaju. Stoga se takvi DAC-ovi nazivaju množenjem. Takva svojstva posjedovat će svi DAC, u kojem se formiranje ponderiranih vrijednosti struja koje odgovaraju težinama pražnjenja provodi pomoću otpornih matrica.
Osim svoje namjene, DAC-ovi za množenje koriste se kao analogno-digitalni množitelji, kao kodom kontrolirani otpori i vodljivosti. Oni se naširoko koriste kao građevni blokovi za kodom kontrolirana (podesiva) pojačala, filtere, izvore referentnog napona, pretvarače signala itd.
Osnovni parametri i greške DAC-a
Glavni parametri koji se mogu vidjeti u referenci:
1. Broj bitova - broj bitova ulaznog koda.
2. Faktor pretvorbe je omjer prirasta izlaznog signala i prirasta ulaznog signala za funkciju linearne pretvorbe.
3. Vrijeme smirivanja izlaznog napona ili struje je vremenski interval od trenutka promjene zadanog koda na DAC ulazu do trenutka kada će izlazni napon ili struja konačno ući u zonu širine najmanjeg bita ( MHR).
4. Maksimalna učestalost pretvorbe - najveća učestalost promjene koda pri kojoj navedeni parametri odgovaraju utvrđenim standardima.
Postoje i drugi parametri koji karakteriziraju performanse DAC-a i značajke njegovog funkcioniranja. Među njima: ulazni napon niske i visoke razine, potrošnja struje, raspon izlaznog napona ili struje.
Najvažniji parametri za DAC su oni koji određuju njegove karakteristike točnosti.
Karakteristike točnosti svakog DAC-a , prije svega, određuju ih normalizirane pogreške.
Pogreške se dijele na dinamičke i statičke. Statičke pogreške su pogreške koje ostaju nakon završetka svih prijelaznih procesa povezanih s promjenom ulaznog koda. Dinamičke pogreške određuju se prijelaznim procesima na izlazu DAC-a koji su nastali kao rezultat promjene ulaznog koda.
Glavne vrste statičkih pogrešaka DAC-a su:
Apsolutna pogreška pretvorbe na krajnjoj točki ljestvice je odstupanje vrijednosti izlaznog napona (struje) od nominalne vrijednosti koja odgovara krajnjoj točki ljestvice funkcije pretvorbe. Mjereno u jedinicama najmanje značajnog bita pretvorbe.
Izlazni nulti pomak napona - istosmjerni napon na izlazu DAC-a s ulaznim kodom koji odgovara nultoj vrijednosti izlaznog napona. Mjeri se u jedinicama najmanje značajne znamenke. Pogreška faktora pretvorbe (skala) - povezana s odstupanjem nagiba funkcije pretvorbe od tražene.
Nelinearnost DAC-a je odstupanje stvarne funkcije pretvorbe od navedene ravne linije. To je najgora pogreška s kojom se teško boriti.
Općenito, pogreške nelinearnosti se dijele na dvije vrste - integralne i diferencijalne.
Integralna pogreška nelinearnosti je maksimalno odstupanje stvarne karakteristike od idealne. Zapravo, razmatra se prosječna funkcija pretvorbe. Odredite ovu pogrešku kao postotak konačnog raspona izlazne količine.
Diferencijalna nelinearnost povezana je s nepreciznošću u postavljanju težina bita, t.j. s pogreškama razdjelnih elemenata, raspršivanjem zaostalih parametara ključnih elemenata, generatorima struje itd.
Metode za identifikaciju i ispravljanje DAC pogrešaka
Poželjno je da se ispravljanje pogrešaka provodi tijekom izrade pretvarača (tehnološko podešavanje). Međutim, često je poželjno kada se koristi određeni uzorak. BIS u određenom uređaju. U ovom slučaju, korekcija se provodi uvođenjem u strukturu uređaja, pored LSI DAC dodatni elementi. Takve metode nazivaju se strukturalnim.
Najteži proces je osiguravanje linearnosti, budući da su oni određeni povezanim parametrima mnogih elemenata i čvorova. Najčešće, samo nulti pomak, koeficijent
Parametri točnosti koje osiguravaju tehnološke metode pogoršavaju se kada je pretvarač izložen raznim destabilizirajućim čimbenicima, prije svega temperaturi. Potrebno je zapamtiti o faktoru starenja elemenata.
Nulti pomak i pogreške skale lako se ispravljaju na DAC izlazu. Da bi se to postiglo, u izlazni signal se uvodi konstantna pristranost, koja kompenzira pomak karakteristike pretvarača. Postavlja se potrebna skala konverzije, bilo korekcijom podešenog pojačanja na izlazu pretvarača pojačala, ili podešavanjem vrijednosti referentnog napona, ako je DAC množenje.
Metode korekcije kontrole kontrole sastoje se od identificiranja DAC pogrešaka u cijelom skupu dopuštenih ulaznih utjecaja i dodavanja korekcija izračunatih na temelju toga ulaznoj ili izlaznoj vrijednosti radi kompenzacije ovih pogrešaka.
Uz bilo koju metodu korekcije s kontrolom testnim signalom, predviđene su sljedeće radnje:
1. Mjerenje karakteristika DAC-a na skupu testnih utjecaja dovoljnih za prepoznavanje pogrešaka.
2. Identifikacija pogrešaka izračunavanjem njihovih odstupanja od rezultata mjerenja.
3. Izračun korektivnih korekcija za konvertirane vrijednosti ili potrebnih korektivnih radnji na ispravljenim blokovima.
4. Ispravak.
Kontrola se može provesti jednom prije ugradnje sonde u uređaj pomoću posebne laboratorijske mjerne opreme. Također se može izvesti pomoću specijalizirane opreme ugrađene u uređaj. U tom se slučaju kontrola, u pravilu, provodi povremeno, cijelo vrijeme dok pretvarač nije izravno uključen u rad uređaja. Takva organizacija kontrole i korekcije pretvarača može se provesti tijekom njegovog rada kao dio mikroprocesorskog mjernog sustava.
Glavni nedostatak bilo koje metode inspekcije od kraja do kraja je dugo vrijeme inspekcije zajedno s heterogenošću i velikom količinom korištene opreme.
Vrijednosti korekcija određene na ovaj ili onaj način pohranjuju se u pravilu u digitalnom obliku. Ispravljanje pogrešaka, uzimajući u obzir te ispravke, može se provesti i u analognom i u digitalnom obliku.
Kod digitalne korekcije, korekcije se dodaju uzimajući u obzir njihov predznak na ulazni kod DAC-a. Kao rezultat, na DAC ulaz se šalje kod, na kojem se na njegovom izlazu formira potrebna vrijednost napona ili struje. Najjednostavnija implementacija ove metode korekcije sastoji se od podesivog DAC, na čiji je ulaz ugrađen digitalni uređaj za pohranu ( Memorija)... Ulazni kod ima ulogu koda adrese. V Memorija na odgovarajućim adresama unose se vrijednosti kodova dostavljenih ispravljenom DAC-u, izračunate unaprijed, uzimajući u obzir izmjene.
Za analognu korekciju, uz glavni DAC, koristi se i jedan dodatni DAC. Raspon njegovog izlaznog signala odgovara maksimalnoj vrijednosti pogreške ispravljenog DAC-a. Ulazni kod se istovremeno dovodi na ulaze ispravljenog DAC-a i na adresne ulaze Memorija izmjene i dopune. Iz Memorija korekcija, odabire se ispravak koji odgovara zadanoj vrijednosti ulaznog koda. Korekcioni kod se pretvara u njemu proporcionalan signal, koji se dodaje izlaznom signalu korigiranog DAC-a. Zbog malog potrebnog raspona izlaznog signala dodatnog DAC-a u usporedbi s rasponom izlaznog signala korigiranog DAC-a, inherentne pogreške prvog su zanemarene.
U nekim slučajevima postaje potrebno ispraviti dinamiku rada DAC-a.
Prijelazni odziv DAC-a pri promjeni različitih kombinacija kodova bit će različit, drugim riječima - vrijeme smirivanja izlaznog signala bit će različito. Stoga, kada se koristi DAC, potrebno je uzeti u obzir maksimalno vrijeme smirivanja. Međutim, u nekim je slučajevima moguće ispraviti ponašanje prijenosne karakteristike.
Značajke korištenja LSI DAC-a
Za uspješnu primjenu modernih BIS DAC-u nije dovoljno znati popis njihovih glavnih karakteristika i osnovne sheme za njihovo uključivanje.
Značajan učinak na rezultate primjene BIS DAC ispunjava operativne zahtjeve zbog karakteristika određenog mikrosklopa. Ovi zahtjevi uključuju ne samo korištenje dopuštenih ulaznih signala, napona napajanja, kapacitivnosti i otpora opterećenja, već i izvršavanje redoslijeda uključivanja različitih izvora napajanja, odvajanje spojnih krugova za različite izvore napajanja i zajedničke sabirnice, korištenje filtera itd.
Za precizne DAC-ove, izlazni napon šuma je od posebne važnosti. Posebnost problema s bukom u DAC-u je prisutnost skokova napona na njegovom izlazu, uzrokovanih prebacivanjem tipki unutar pretvarača. U amplitudi, ti praskavi mogu doseći nekoliko desetaka težine. MHR te stvaraju poteškoće u radu uređaja za obradu analognog signala koji slijede DAC. Rješenje problema suzbijanja takvih rafala je korištenje uređaja za uzorkovanje i zadržavanje na DAC izlazu ( UVH). UVH kontrolira digitalni dio sustava, koji formira nove kombinacije kodova na DAC ulazu. Prije unošenja nove kombinacije kodova UVH se stavlja u način pohrane, otvarajući krug za prijenos analognog signala prema izlazu. To sprječava da se skok izlaznog napona DAC-a pošalje na pin. UVH, koji se zatim stavlja u način praćenja, ponavljajući izlaz DAC-a.
Posebna pažnja pri izgradnji DAC-a na temelju BIS potrebno je obratiti pozornost na izbor operacijskog pojačala, koje služi za pretvaranje izlazne struje DAC-a u napon. Prilikom isporuke ulaznog koda DAC-a na izlazu OU doći će do greške DU zbog svog prednapona i jednak
,
gdje U cm- prednapon OU; R os- vrijednost otpora u povratnom krugu OU; R m- otpor otporne matrice DAC-a (izlazni otpor DAC-a), ovisno o vrijednosti koda primijenjenog na njegov ulaz.
Budući da se omjer mijenja od 1 do 0, pogreška zbog U cm, promjene u prolazima (1 ... 2) U cm... Utjecaj U cm zanemaren pri korištenju OU, koji .
Zbog velike površine tranzistorskih prekidača CMOS BIS značajan izlazni kapacitet LSI DAC-a (40 ... 120 pF ovisno o vrijednosti ulaznog koda). Ovaj kapacitet ima značajan utjecaj na vrijeme smirivanja izlaznog napona. OU na potrebnu točnost. Kako bi se smanjio ovaj utjecaj R os ranžiran kondenzatorom S osama.
U nekim slučajevima, bipolarni izlazni napon mora se dobiti na DAC izlazu. To se može postići uvođenjem pomaka raspona izlaznog napona na izlazu, a za množenje DAC-ova prebacivanjem polariteta izvora referentnog napona.
Imajte na umu da ako koristite integrirani DAC , imajući veći broj bitova nego što vam je potrebno, tada se ulazi neiskorištenih bitova spajaju na sabirnicu uzemljenja, nedvosmisleno određujući na njima razinu logičke nule. Štoviše, kako bi se radilo s velikim rasponom izlaznog signala LSI DAC-a za takve znamenke, uzimaju se znamenke, počevši od najmanje značajnog.
Jedan od praktičnih primjera primjene DAC-a su pretvarači signala različitih oblika. Napravio mali model u proteusu. Uz pomoć DAC-a kontroliranog MK-a (Atmega8, iako se može i na Tinyju), generiraju se signali raznih oblika. Program je napisan u C u CVAVR-u. Pritiskom na tipku mijenja se generirani signal.
LSI DAC DAC0808 National Semiconductor, 8-bitni, brzi, uključen prema tipičnom dijagramu. Budući da je njegov izlaz strujni, on se pretvara u napon uz pomoć invertnog pojačala na op-pojačalu.
U principu, čak možete imati tako zanimljive brojke, sliči li nešto istini? Ako odaberete malo više, bit ćete glatkiji
Bibliografija:
1. Bakhtiyarov G.D., Malinin V.V., Shkolin V.P. Analogno-digitalni pretvarači / Ed. GD Bakhtiyarova - M .: Sov. radio. - 1980 .-- 278 str .: ilustr.
2. Projektiranje analogno-digitalnih upravljačkih mikroprocesorskih sustava.
3.O.V. Šišov. - Saransk: Izdavačka kuća Mordovs. Sveučilište 1995. - str.
U nastavku možete preuzeti projekt na
