Najjednostavniji digitalno-analogni pretvarač (DAC) je jednobitni pretvarač. Kao takav DAC može poslužiti jednostavno pojačalo-limiter, koji se može koristiti. CMOS tehnologija je posebno prikladna, budući da su u ovoj tehnologiji izlazne struje od jedan i nula jednake. takav digitalno-analogni pretvarač prikazan je na slici 1.
Slika 1. Shematski dijagram jednobitnog digitalno-analognog pretvarača (DAC)
1-bitni DAC pretvara predznak broja u analogni oblik. Za digitalno-analognu pretvorbu pri vrlo visokoj stopi uzorkovanja, mnogo puta većoj od frekvencije Kotelnikova, takav je pretvarač sasvim dovoljan, međutim, u većini slučajeva, visokokvalitetna digitalno-analogna pretvorba zahtijeva više bitova. Poznato je da se binarni broj opisuje sljedećom formulom:
(1)Za pretvaranje digitalnog binarnog koda u napon, možete koristiti ovu formulu izravno, odnosno koristiti analogni zbrajač. Struje će se postaviti pomoću otpornika. Ako se otpornici međusobno razlikuju za faktor dva, tada će i struje poštivati binarni zakon, kao što je prikazano u formuli (1). Ako je logička jedinica prisutna na izlazu registra, tada će se pomoću otpornika pretvoriti u struju koja odgovara binarnoj znamenki. U ovom slučaju, naponi će raditi kao digitalno-analogni pretvarač. DAC krug koji radi prema opisanom principu prikazan je na slici 2.
Slika 2. Shematski dijagram četveroznamenkastog digitalno-analognog pretvarača sa zbrajanjem težinskih struja
Na dijagramu prikazanom na slici 2, potencijal drugog terminala je nula. To osigurava paralelna negativna povratna sprega, koja smanjuje ulaznu impedanciju op-pojačala. Pojačanje se bira pomoću otpornika spojenog s izlaza na ulaz operacijskog pojačala. Ako je potreban jedinični dobitak, tada ovaj otpor mora biti jednak paralelnom otporu svih otpornika spojenih na izlaze paralelnog registra. U opisanom uređaju struja pražnjenja nižeg reda bit će osam puta manja od struje pražnjenja visokog reda. Kako bi se smanjio utjecaj ulaznih struja stvarnog operacijskog pojačala, između njegovog neinvertirajućeg ulaza i zajedničke žice spojen je otpornik s otporom jednakim paralelnom spoju svih ostalih otpornika.
S obzirom da je na izlazu svih bitova registra prisutan ili nulti napon ili jednak naponu napajanja, napon na izlazu operacijskog pojačala radit će u rasponu od nula do minus napona napajanja. Ovo nije uvijek zgodno. Ako želite da uređaj radi iz jednog izvora napajanja, onda ga je potrebno malo promijeniti. Da biste to učinili, primijenite napon jednak polovici napajanja na neinvertirajući ulaz operativnog pojačala. Može se dobiti od otpornog djelitelja napona. Nulta struja i jedinična struja izlaznog stupnja registra u novom krugu moraju se podudarati. Tada će napon na izlazu operacijskog pojačala varirati u rasponu od nule do napona napajanja. Dijagram digitalno-analognog pretvarača s unipolarnim napajanjem prikazan je na slici 3.
Slika 3. D/A pretvarač s unipolarnim napajanjem
U krugu prikazanom na slici 3. stabilnost izlazne struje i napona osigurana je stabilnošću napona napajanja paralelnog registra. Međutim, napon napajanja digitalnih mikro krugova obično je vrlo bučan. Ovaj šum će također biti prisutan u izlaznom signalu. To je nepoželjno u višebitnom digitalno-analognom pretvaraču, pa se njegovi izlazni prekidači napajaju iz visoko stabilnog pretvarača s niskim šumom. Trenutno takve mikro krugove proizvode brojne tvrtke. Primjeri uključuju ADR4520 tvrtke Analog Devices ili MAX6220_25 tvrtke Maxim Integrated.
U proizvodnji višebitnih digitalno-analognih pretvarača potrebna je visoka preciznost izrade otpornika. Prije se to postiglo pomoću otpornika za lasersko obrezivanje. Trenutno izvori struje obično nisu otpornici, već generatori struje na tranzistorima s efektom polja. Korištenje tranzistora s efektom polja može značajno smanjiti veličinu DAC kristala. U ovom slučaju, za povećanje struje, tranzistori su spojeni paralelno. To omogućuje postizanje visoke točnosti korespondencije struja binarnom zakonu ( i 0 , 2i 0 , 4i 0 , 8i 0 itd.). Visoka brzina pretvorbe postiže se niskim otporom opterećenja. Sklop digitalnog kodno-izlaznog strujnog pretvarača, koji radi prema opisanom principu, prikazan je na slici 4.
Slika 4. Unutarnji krug DAC-a sa zbrajanjem struja
Naravno, elektronički prekidači prikazani na slici 4 su također tranzistori s efektom polja. Međutim, ako ih pokažete na dijagramu, možete se zbuniti gdje je ključ, a gdje trenutni generator. Budući da tranzistor s efektom polja može istovremeno raditi kao generator struje i elektronički prekidač, oni se često kombiniraju, a binarni zakon se formira pomoću, kao što je prikazano na slici 5.
Slika 5. Unutarnji krug DAC-a sa zbrajanjem istih struja
AD7945 DAC je primjer sklopa koji koristi rješenje za zbrajanje struje. U njemu se zbrajanje struja koristi za formiranje viših pražnjenja. Za rad s najmanjim bitovima koristi se. Operativno pojačalo se obično koristi za pretvaranje izlazne struje u napon, ali njegova brzina napona ima značajan utjecaj na brzinu digitalno-analognog pretvarača u cjelini. Stoga se DAC krug s operativnim pojačalom koristi samo u širokopojasnim krugovima kao što je pretvaranje audio ili televizijskih signala.
Slika 6. Digitalno-analogni pretvarač binarni kod-napon
Književnost:
Uz članak "Digitalno-analogni pretvarači (DAC) sa zbrajanjem struja" pročitajte:
http://site / digital / R2R /
http: //site/digital/sigmaadc.php
U ovom se članku razmatraju glavna pitanja vezana uz princip rada ADC-a različitih vrsta. Istodobno, 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 teoretskih 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 za izravnu konverziju 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 - 1.024 komparatora, za 24-bitni ADC bi im trebalo preko 16 milijuna. Međutim, tehnika još nije dosegla takve 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 od strane Computer Labsa, 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.
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- 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 inženjerstvu;
- DAC preduzorkovanje kao što su delta-sigma-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 sa modulirana gustoća impulsa(konstantna širina impulsa, ali promjenjivi radni ciklus) generirano korištenjem negativne povratne sprege. Negativna povratna sprega djeluje kao visokopropusni filtar za šum kvantizacije.
- DAC za vaganje, 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(lančana R-2R-shema). U R-2R-DAC-u vrijednosti se stvaraju u posebnom krugu koji se sastoji od otpornika s otporima R i 2R, nazvana matrica konstantne impedancije, koja ima dvije vrste uključivanja: izravna - matrica struja i inverzna - 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 podaci
DAC-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.
- Maksimalna stopa uzorkovanja- maksimalna frekvencija na kojoj DAC može raditi, dajući ispravan izlaz na izlazu. U skladu s Nyquist - Shannon teoremom (poznatim i kao Kotelnikov teorem), za ispravnu reprodukciju analognog signala iz digitalnog oblika, potrebno je da frekvencija uzorkovanja nije manja od dvostruke maksimalne frekvencije u spektru signala. Na primjer, za reprodukciju cjelokupnog audio frekvencijskog raspona koji se može čuti čovjekom, 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- svojstvo DAC-a da povećava analogni izlazni signal s povećanjem ulaznog koda.
- THD + N(ukupno harmonijsko izobličenje + šum) 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- omjer najvećeg i najmanjeg signala koje 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) je omjer ukupne snage svih harmonika (osim prvog) i snage prvog harmonika.
vidi također
Književnost
- Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivozh Nikolić. Digitalni integrirani krugovi. Metodologija projektiranja = Digitalni integrirani krugovi. - 2. izd. - M .: Williams, 2007 .-- 912 str. - ISBN 0-13-090996-3
- Mingliang Liu. Demistificiranje sklopova sklopljenih kondenzatora. ISBN 0-75-067907-7.
- Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. Dizajn analognog CMOS kruga. ISBN 0-19-511644-5.
Linkovi
- Digitalno-analogni pretvarači (DAC), teorija i principi rada na stranici Microelectronics market
- D/A pretvarači za zadatke obrade digitalnih signala
- INL / DNL mjerenja za ADC velike brzine objašnjavaju kako se izračunavaju INL i DNL
- Aleksej Stahov... Fibonaccijevo računalo 1. dio, 2. dio, 3. dio // PCweek.ru, 2002.
- R-2R Ladder DAC objašnjeno sadrži dijagrame
| Mikrokontroleri | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arhitektura |
| ||||
Digitalno-analogni pretvarač(DAC) - uređaj koji pretvara ulazni digitalni signal (kod) u analogni.
DAC se naširoko koristi tamo gdje je potrebno kontrolirati analogne uređaje uz pomoć digitalnih informacija koje izdaje računalo, na primjer, za pomicanje ventila proporcionalno izračunatoj vrijednosti digitalnog signala. DAC-ovi se koriste za usklađivanje računala (CU) s analognim uređajima, kao interne ADC jedinice i digitalni mjerni uređaji. Kao dio analogno-digitalnih pretvarača, DAC služi za generiranje analognog signala (struje ili napona) s kojim se konvertirani signal uspoređuje.
Glavna karakteristika DAC-a je njegova rezolucija, koja je određena brojem bitova. n... Teoretski DAC pretvaranje n-bitni binarni kodovi, moraju osigurati 2 n različite vrijednosti izlaznog signala s rezolucijom od (2 n- 1) -1. Apsolutna vrijednost kvanta minimalnog izlaznog napona definirana je kao maksimalno prihvaćeni broj 2 n- 1 i maksimalni izlazni napon DAC-a, koji se naziva napon skale U shk. Dakle, na 12 bita, broj nezavisnih kvanta (koraka) izlaznog napona DAC-a je 212 - 1 = 0,0245%. Referentno odabrani napon skale U shk = 10B podijeljen s ovim brojem kvanta daje apsolutnu rezoluciju DAC-a
D x = U shk / (2 n- 1) = 103 mV / (212 - 1) = 2,45 mV.
Karakteristika pretvorbe(HP) DAC- skup vrijednosti izlazne analogne količine xi ovisno o ulaznom kodu b i.
Karakteristika pretvorbe (ili prijenosna karakteristika) DAC-a prikazana je na Sl. 3.15.
Riža. 3.15. DAC prijenosna karakteristika; A- linearnost; B- nelinearnost; C- nemonotonija; D- izlazni signal; E- ravna linija koja povezuje idealne vrijednosti razina izlaznog signala; dpsh - pogreška pune skale
Razlika između stvarne vrijednosti rezolucije i teorijske je posljedica pogrešaka čvorova i šuma DAC-a. Točnost DAC-a određena je vrijednostima apsolutne pogreške uređaja, nelinearnosti i diferencijalne nelinearnosti.
Apsolutna pogreška dshk predstavlja odstupanje vrijednosti izlaznog napona (struje) od nominalne izračunate vrijednosti koja odgovara krajnjoj točki karakteristike pretvorbe (vidi sliku 3.15). Apsolutna pogreška obično se mjeri u jedinicama najmanjeg značajnog bita (LSB).
Nelinearnost dl karakterizira identičnost minimalnih prirasta izlaznog signala u cijelom rasponu pretvorbe i definira se kao najveće odstupanje izlaznog signala od ravne linije apsolutne točnosti povučene kroz nulu i točku maksimalne vrijednosti izlaznog signala. Vrijednost nelinearnosti ne smije prelaziti ± 0,5 LSM jedinica.
Diferencijalna nelinearnost dl.dif karakterizira identitet susjednih prirasta signala. Definira se kao minimalna razlika u pogrešci nelinearnosti dvaju susjednih kvanta u izlaznom signalu. Vrijednost diferencijalne nelinearnosti ne smije prelaziti dvostruku pogrešku nelinearnosti. Ako je vrijednost dl.dif veća od LSM jedinice, tada se pretvarač smatra nemonotonskim, tj. na svom izlazu, izlazni signal ne može jednoliko rasti s jednoličnim povećanjem ulaznog koda.
Nemonotoničnost u nekim kvantima daje smanjenje izlaznog signala s povećanjem ulaznog koda.
Hardverska pogreška, određena nestabilnošću izvora referentnog napona, pogreškom sklopki, otpornih matrica i izlaznih operacijskih pojačala, naziva se instrumentalna pogreška. Glavni čimbenici koji uzrokuju pojavu pogrešaka u elementima su: tehnološka rasprostranjenost parametara; utjecaj promjena u okolišu (uglavnom temperatura); promjena parametara tijekom vremena (starenje); izloženost vanjskoj i unutarnjoj buci i smetnjama.
Sve instrumentalne pogreške očituju se uglavnom u sljedećim oblicima:
a) nulta pristranost koja karakterizira paralelni pomak prijenosne karakteristike DAC-a od prosječne ravne linije (uzrokovanog nultim naponom prednapona i nenultom ulaznom strujom op-pojačala, kao i preostalim parametrima tipki);
b) promjena koeficijenta prijenosa, koji karakterizira odstupanje nagiba stvarne prijenosne karakteristike od prosječne ravne;
c) odstupanja prijenosne karakteristike pretvarača od idealne ravne (takva se nelinearnost transformacije očituje kao neidentičnost prirasta izlaznog signala u funkciji ulaznog koda).
Dinamičke karakteristike DAC-a uključuju vrijeme i maksimalnu frekvenciju konverzije.
Vremenski parametri određuju brzinu pretvarača. Postoje tri vremenska parametra: korak (period) kvantizacije D t, vrijeme konverzije (vrijeme uspostavljanja izlaznog signala) t pr, trajanje ciklusa pretvorbe t c.
Korak (razdoblje) kvantizacije D t- vremenski interval između dvije uzastopne konverzije. Inverzno razdoblje kvantizacije 1 / D t = f sq, nazvana frekvencija uzorkovanja.
Vrijeme uspostavljanja DAC izlaza t pr - vrijeme od trenutka promjene koda na DAC ulazima do trenutka kada se vrijednost izlazne analogne vrijednosti razlikuje od stabilne vrijednosti za zadanu vrijednost (slika 3.16).
Riža. 3.16. Vrijeme t pr pretvorbe DAC
Vrijeme ciklusa konverzije t c - vrijeme između trenutka unošenja ulaznog koda i izlaza analognog izlaznog signala ( t q = t itd). Određuje se uglavnom ciklogramima i vremenskim dijagramima koji opisuju rad informacijskih i računalnih uređaja i sustava s dostupnim pretvaračima.
Maksimalna stopa pretvorbe - najveća stopa uzorkovanja pri kojoj DAC parametri odgovaraju navedenim vrijednostima.
Rad DAC-a često je popraćen specifičnim prolaznim impulsima, koji su oštri vrhovi velike amplitude u izlaznom signalu, koji proizlaze iz razlike u vremenu otvaranja i zatvaranja analognih sklopki u DAC-u. Outliers se posebno očituju kada se umjesto nule u najznačajnijem bitu i jedinica u najmanje značajnim bitovima koda, jedan bude poslao najznačajnijem bitu (MSD) i kodu "sve nule" u LSB-u. Na primjer, ako se ulazni kod 011 ... 111 zamijeni kodom 10 ... 000, a ključ starijeg DAC-a otvori se kasnije nego što se tipke donjih zatvori, tada se izlazni signal povećava za samo jedan kvant može biti popraćen pulsom amplitude 0,5 U shk. Trajanje ovog vrha odgovarat će kašnjenju u promjeni stanja tipki.
Trenutno, ovisno o vrijednostima parametara, postoje DAC-ovi visoke preciznosti i velike brzine. Precizni DAC-i imaju dl = 0,1% i veliku brzinu t usta = 100ns.
DAC- digitalno-analogni pretvarači - uređaji dizajnirani za pretvaranje diskretnog (digitalnog) signala u kontinuirani (analogni) signal. Pretvorba se vrši proporcionalno binarnom kodu signala.
DAC klasifikacija
Po vrsti izlaznog signala: sa strujnim i naponskim izlazom;
Po vrsti digitalnog sučelja: sa serijskim ulazom i s paralelnim unosom koda za unos;
Po broju DAC-ova na čipu: jednokanalni i višekanalni;
Po brzini: umjerene performanse i visoke performanse.
Glavni parametri DAC-a:
1. N - širina bita.
2. Maksimalna izlazna struja.
4. Veličina referentnog napona.
5. Rezolucija.
6. Kontrolne razine napona (TTL ili CMOS).
7. Pogreške pretvorbe (pogreška izlazne nule, pogreška apsolutne pretvorbe, nelinearnost pretvorbe, diferencijalna nelinearnost). 8. Vrijeme konverzije - vremenski interval od trenutka prezentacije (podnošenja) koda do trenutka pojave izlaznog signala.
9. Vrijeme smirivanja analognog signala
Glavni elementi DAC-a su:
U IC se mogu ugraditi otporne matrice (skup razdjelnika s određenim TCS-om, s određenim odstupanjem od 2%, 5% ili manje);
Tipke (na bipolarnim ili MOS tranzistorima);
Izvor referentnog napona.
Osnovne sheme za izgradnju DAC-a.
21. ADC. Opće odredbe. Učestalost uzorkovanja. ADC klasifikacija. Princip rada ADC-a paralelnog djelovanja.
Prema brzini, ADC se dijeli na:
1. ADC-i paralelne konverzije (paralelni ADC-i) - brzi ADC-i, imaju složenu hardversku upotrebu jedinice GHz.Rezolucija N = 8-12 bita, Fg = desetke MHz
2. ADC uzastopne aproksimacije (uzastopno brojanje) do 10 MHz Rezolucija N = 10-16 bita, Fg = desetine kHz
3. Integriranje ADC-a stotine Hz. Rezolucija N = 16-24 bita, Fg = desetice
4. Sigma-delta ADC jedinice MHz Rezolucija N = 16-24 bita, Fg = stotine Hz
22. ADC sekvencijalnog brojanja. Princip rada.
23. ADC uzastopnih aproksimacija. Princip rada.
Ovaj kod s izlaza RPP-a se dovodi u DAC, koji daje odgovarajući napon 3 / 4Uvkhmax, koji se uspoređuje s Uin (na SS) i rezultat se upisuje u isti bit četvrtim taktnim impulsom. Zatim se proces nastavlja dok se ne analiziraju sve znamenke.
Vrijeme konverzije SAR ADC-a:
tpr = 2nTG, gdje je TG period ponavljanja impulsa generatora; n - kapacitet ADC-a.
Takvi ADC-i su inferiorniji u brzini od paralelnih ADC-a, ali su jeftiniji i troše manje energije. Primjer: 1113PV1.
24. Princip rada ADC-a integrirajućeg tipa.
Princip rada integrirajućeg ADC-a temelji se na dva osnovna principa:
1. Pretvorba ulaznog napona u frekvenciju ili trajanje (vrijeme) impulsa
Uin → f (VNCH - naponsko-frekvencijski pretvarač)
2. Pretvorba frekvencije ili trajanja (vremena) u digitalni kod
f → N; T → N.
Glavnu grešku unosi PNC.
Ovaj tip ADC-a obavlja pretvorbu u dva stupnja.
U prvom koraku, analogni ulazni signal se integrira i ova integrirana vrijednost se pretvara u niz impulsa. Brzina ponavljanja impulsa u ovom nizu ili njihovo trajanje može se modulirati integriranom vrijednošću ulaznog signala.
U drugoj fazi, ovaj slijed impulsa se pretvara u digitalni kod - mjeri se njegova frekvencija ili trajanje impulsa.
