In questo articolo vengono discusse le principali questioni relative al principio di funzionamento degli ADC di vario tipo. Allo stesso tempo, alcuni importanti calcoli teorici riguardanti la descrizione matematica della conversione analogico-digitale sono rimasti al di fuori dello scopo dell'articolo, ma sono forniti collegamenti attraverso i quali il lettore interessato può trovare una considerazione più approfondita degli aspetti teorici del funzionamento dell'ADC . Pertanto, l'articolo è più interessato alla comprensione dei principi generali del funzionamento degli ADC che a un'analisi teorica del loro lavoro.
introduzione
Come punto di partenza, definiamo la conversione da analogico a digitale. La conversione da analogico a digitale è il processo di conversione di una grandezza fisica in ingresso nella sua rappresentazione numerica. Un convertitore analogico-digitale è un dispositivo che esegue questa conversione. Formalmente, il valore di ingresso dell'ADC può essere qualsiasi grandezza fisica: tensione, corrente, resistenza, capacità, frequenza di ripetizione dell'impulso, angolo di rotazione dell'albero, ecc. Tuttavia, per chiarezza, in quanto segue, sotto l'ADC, indicheremo esclusivamente convertitori tensione-codice.
Il concetto di conversione analogico-digitale è strettamente correlato al concetto di misura. La misurazione si riferisce al processo di confronto del valore misurato con un determinato standard; durante la conversione da analogico a digitale, il valore di ingresso viene confrontato con un determinato valore di riferimento (di norma, con una tensione di riferimento). Pertanto, la conversione A/D può essere vista come una misurazione del valore di un segnale di ingresso e tutti i concetti metrologici come gli errori di misurazione sono applicabili ad essa.
Principali caratteristiche dell'ADC
L'ADC ha molte caratteristiche, di cui le principali sono la frequenza di conversione e la profondità di bit. Il tasso di conversione è solitamente espresso in campioni al secondo (SPS) e la profondità di bit è in bit. I moderni ADC possono essere larghi fino a 24 bit e avere un tasso di conversione fino a unità GSPS (non contemporaneamente, ovviamente). Maggiore è la velocità e la profondità di bit, più difficile è ottenere le caratteristiche richieste, più costoso e complesso è il convertitore. La velocità di conversione e la profondità di bit sono correlate tra loro in un certo modo e possiamo aumentare la profondità di bit di conversione effettiva sacrificando la velocità.
Tipi di ADC
Esistono molti tipi di ADC, tuttavia, ai fini di questo articolo, ci limiteremo a considerare solo i seguenti tipi:
- Conversione parallela ADC (conversione diretta, flash ADC)
- ADC di approssimazione successiva (ADC SAR)
- delta sigma ADC (ADC con bilanciamento della carica)
Gli ADC di conversione diretta (parallela) hanno la velocità più alta e la profondità di bit più bassa. Ad esempio, l'ADC di conversione parallela TLC5540 di Texas Instruments ha una velocità di 40 MSPS con una larghezza di bit di soli 8 bit. Gli ADC di questo tipo possono avere tassi di conversione fino a 1 GSPS. È possibile notare qui che gli ADC in pipeline hanno prestazioni ancora maggiori, ma sono una combinazione di diversi ADC con prestazioni inferiori e la loro considerazione esula dallo scopo di questo articolo.
La nicchia centrale nella riga del bit rate è occupata da ADC ad approssimazione successiva. I valori tipici sono 12-18 bit con un tasso di conversione di 100KSPS-1MSPS.
La massima precisione è ottenuta dagli ADC sigma-delta con una capacità fino a 24 bit inclusi e una velocità da unità SPS a unità KSPS.
Un altro tipo di ADC che ha trovato impiego nel recente passato è l'ADC integratore. Gli ADC integrati sono ora ampiamente sostituiti da altri tipi di ADC, ma possono essere trovati nella strumentazione precedente.
Conversione diretta ADC
Gli ADC a conversione diretta si sono diffusi negli anni '60 e '70 e sono stati introdotti nei circuiti integrati negli anni '80. Sono spesso utilizzati in ADC "condotte" (non sono considerati in questo articolo) e hanno una capacità di 6-8 bit a una velocità fino a 1 GSPS.
L'architettura dell'ADC a conversione diretta è mostrata in Fig. uno
Riso. 1. Schema a blocchi dell'ADC a conversione diretta
Il principio di funzionamento dell'ADC è estremamente semplice: il segnale di ingresso viene alimentato contemporaneamente a tutti gli ingressi "più" dei comparatori e un numero di tensioni ottenute dalla tensione di riferimento dividendo per resistori R viene fornito agli ingressi "meno" Per il circuito di Fig. 1 questa riga sarà così: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, dove Uref è la tensione di riferimento dell'ADC.
Applicare all'ingresso dell'ADC la tensione pari a 1/2 Uref. Quindi i primi 4 comparatori funzioneranno (se conti dal basso) e le unità logiche appariranno alle loro uscite. L'encoder prioritario formerà un codice binario dalla "colonna" di quelli, che è fissato dal registro di uscita.
Ora i vantaggi e gli svantaggi di un tale convertitore diventano chiari. Tutti i comparatori funzionano in parallelo, il tempo di ritardo del circuito è uguale al tempo di ritardo in un comparatore più il tempo di ritardo nell'encoder. Il comparatore e l'encoder possono essere realizzati molto velocemente, di conseguenza, l'intero circuito ha una velocità molto elevata.
Ma per ottenere N bit, sono necessari 2 ^ N comparatori (e anche la complessità dell'encoder cresce di 2 ^ N). Il diagramma in Fig. 1. contiene 8 comparatori e ha 3 bit, per ottenere 8 bit occorrono 256 comparatori, per 10 bit - 1024 comparatori, per un ADC a 24 bit ne servirebbero oltre 16 milioni. Tuttavia, la tecnica non ha ancora raggiunto tale altezza.
Approssimazione successiva ADC
Un convertitore analogico-digitale SAR (Successive Approximation Register) misura l'ampiezza di un segnale di ingresso eseguendo una serie di "ponderazioni" successive, ovvero confrontando l'ampiezza della tensione di ingresso con un numero di valori generati come segue :
1. al primo passo, viene impostato un valore pari a 1/2Uref all'uscita del convertitore digitale-analogico integrato (di seguito si assume che il segnale sia nell'intervallo (0 - Uref).
2. se il segnale è maggiore di questo valore, allora viene confrontato con la tensione che giace nel mezzo dell'intervallo rimanente, cioè, in questo caso, 3 / 4Uref. Se il segnale è inferiore al livello impostato, il confronto successivo verrà effettuato con meno della metà dell'intervallo rimanente (ovvero con il livello 1/4Uref).
3. Il passaggio 2 viene ripetuto N volte. Pertanto, N confronti ("ponderazioni") generano N bit del risultato.
Riso. 2. Schema a blocchi dell'ADC ad approssimazione successiva.
Pertanto, l'ADC SAR è costituito dalle seguenti unità:
1. Comparatore. Confronta il valore di ingresso e il valore attuale della tensione "peso" (in Fig. 2. contrassegnato da un triangolo).
2. Convertitore da digitale ad analogico (DAC). Genera un valore di tensione "peso" in base al codice digitale in ingresso.
3. Registro di approssimazione successiva (Registro di approssimazione successiva, SAR). Implementa l'algoritmo di approssimazione successiva, generando il valore corrente del codice fornito all'ingresso del DAC. Tutta questa architettura ADC prende il nome da essa.
4. Schema di conservazione del campione (Campione / Mantieni, S / H). Per il funzionamento di questo ADC è di fondamentale importanza che la tensione di ingresso rimanga costante per tutto il ciclo di conversione. Tuttavia, i segnali "reali" tendono a cambiare nel tempo. Il circuito sample-and-hold “ricorda” il valore attuale del segnale analogico, e lo mantiene inalterato durante l'intero ciclo di funzionamento del dispositivo.
Il vantaggio del dispositivo è la sua velocità di conversione relativamente elevata: il tempo di conversione di un ADC a N bit è di N cicli di clock. L'accuratezza della conversione è limitata dall'accuratezza del DAC interno e può essere di 16-18 bit (ora gli ADC SAR a 24 bit, ad esempio AD7766 e AD7767, hanno iniziato a comparire).
Delta Sigma ADC
Infine, il tipo più interessante di ADC è l'ADC sigma-delta, a volte indicato in letteratura come ADC a carica bilanciata. Lo schema a blocchi di un ADC sigma-delta è mostrato in Fig. 3.
figura 3. Schema a blocchi di un ADC sigma-delta.
Il principio di funzionamento di questo ADC è un po' più complesso di quello di altri tipi di ADC. La sua essenza è che la tensione di ingresso viene confrontata con il valore di tensione accumulato dall'integratore. Gli impulsi di polarità positiva o negativa vengono forniti all'ingresso dell'integratore, a seconda del risultato del confronto. Pertanto, questo ADC è un semplice sistema di tracciamento: la tensione all'uscita dell'integratore "insegue" la tensione di ingresso (Fig. 4). Il risultato di questo circuito è un flusso di zero e uno all'uscita del comparatore, che viene quindi fatto passare attraverso un filtro passa-basso digitale, ottenendo un risultato a N bit. LPF in Fig. 3. Combinato con un "decimatore", un dispositivo che riduce il tasso di ripetizione dei campioni "decimandoli".
Riso. 4. Sigma-delta ADC come sistema di tracciamento
Per la gravità della presentazione, va detto che in Fig. 3 è uno schema a blocchi di un ADC sigma-delta del primo ordine. Un ADC sigma-delta di secondo ordine ha due integratori e due circuiti di feedback, ma non sarà trattato qui. Chi è interessato a questo argomento può fare riferimento a.
Nella fig. 5 mostra i segnali nell'ADC a livello zero all'ingresso (in alto) e al livello Vref / 2 (in basso).
Riso. 5. Segnali nell'ADC a diversi livelli di segnale all'ingresso.
Ora, senza addentrarci in complesse analisi matematiche, proviamo a capire perché gli ADC sigma-delta hanno un livello molto basso di rumore intrinseco.
Si consideri lo schema a blocchi del modulatore sigma-delta mostrato in Fig. 3, e rappresentarlo in questa forma (Fig. 6):
Riso. 6. Schema a blocchi del modulatore sigma-delta
Qui il comparatore è rappresentato come un sommatore che somma il segnale continuo voluto e il rumore di quantizzazione.
Lascia che l'integratore abbia una funzione di trasferimento 1 / s. Quindi, rappresentando il segnale utile come X (s), l'uscita del modulatore sigma-delta come Y (s) e il rumore di quantizzazione come E (s), otteniamo la funzione di trasferimento dell'ADC:
Y (s) = X (s) / (s + 1) + E (s) s / (s + 1)
Cioè, infatti, il modulatore sigma-delta è un filtro passa basso (1 / (s + 1)) per il segnale desiderato, e un filtro passa alto (s / (s + 1)) per il rumore, entrambi filtri aventi la stessa frequenza di taglio. Il rumore concentrato nella regione delle alte frequenze dello spettro viene facilmente rimosso dal filtro digitale passa-basso, che si trova dopo il modulatore.
Riso. 7. Il fenomeno dello "spostamento" del rumore nella parte dello spettro ad alta frequenza
Tuttavia, dovrebbe essere chiaro che questa è una spiegazione estremamente semplificata del fenomeno del noise shaping in un ADC sigma-delta.
Quindi, il vantaggio principale di un ADC sigma-delta è l'elevata precisione dovuta al rumore intrinseco estremamente basso. Tuttavia, per ottenere un'elevata precisione, è necessario che la frequenza di taglio del filtro digitale sia la più bassa possibile, molte volte inferiore alla frequenza operativa del modulatore sigma-delta. Pertanto, gli ADC sigma-delta hanno una bassa velocità di conversione.
Possono essere utilizzati nell'ingegneria audio, ma sono principalmente utilizzati nell'automazione industriale per convertire i segnali dei sensori, negli strumenti di misura e in altre applicazioni in cui è richiesta un'elevata precisione. ma non è richiesta l'alta velocità.
Un po' di storia
Il riferimento ADC più antico della storia è probabilmente il brevetto di Paul M. Rainey, "Facsimile Telegraph System", negli Stati Uniti. Brevetto 1.608.527, depositato il 20 luglio 1921, rilasciato il 30 novembre 1926. Il dispositivo illustrato nel brevetto è in realtà un ADC a conversione diretta a 5 bit.
Riso. 8. Primo brevetto per ADC
Riso. 9. Conversione diretta ADC (1975)
Il dispositivo mostrato in figura è un ADC a conversione diretta MOD-4100 di Computer Labs, 1975, assemblato sulla base di comparatori discreti. I comparatori sono 16 (si trovano a semicerchio, in modo da equalizzare il ritardo di propagazione del segnale a ciascun comparatore), quindi l'ADC ha una capacità di soli 4 bit. Velocità di conversione 100 MSPS, consumo energetico 14 watt.
La figura seguente mostra una versione avanzata dell'ADC a conversione diretta.
Riso. 10. Conversione diretta ADC (1970)
Il VHS-630 del 1970, prodotto da Computer Labs, aveva 64 comparatori, aveva 6 bit, 30 MSPS e consumava 100 watt (la versione 1975 del VHS-675 aveva 75 MSPS e 130 watt).
Letteratura
W. Kester. Architetture ADC I: il convertitore flash. Dispositivi analogici, tutorial MT-020.
A volte si ha l'impressione che il mondo digitale si fonda quasi completamente con quello reale. Ma nonostante l'emergere di sistemi come "gigaFLOPS", "22 nm" e molti altri, il mondo reale rimane ostinatamente analogico e non digitale, e dobbiamo ancora lavorare con i nostri sistemi digitali, che sono presenti quasi ovunque nel mondo moderno.
Convertitore D/A Il DAC converte un segnale digitale in ingresso in un'uscita analogica. La precisione può variare da produttore a produttore, ma descriveremo convertitori D/A con una risoluzione da 8 a 16 bit e velocità fino a 10 MS/s. Questi convertitori digitale-analogico DAC sono utilizzati in vari sistemi: apparecchiature audio e video, controllo del processore, strumenti di misura, sistemi di automazione, sistemi di azionamento elettrico e molti altri. Ogni singolo sistema ha requisiti individuali per il DAC, ad esempio risoluzione, caratteristiche statiche e dinamiche, consumo energetico e altro.
I parametri e la scheda tecnica includono errore di offset, non linearità differenziale (DNL), non linearità integrale (INL) e altri parametri necessari per fornire buone prestazioni nei sistemi CC come il controllo dell'azionamento o il controllo del processo.
Alcune applicazioni, come la generazione del segnale sullo schermo di un monitor, enfatizzano la necessità di buone prestazioni su AC, che è specificato nella scheda tecnica in termini di tempo di ritardo, rumore e larghezza di banda. Realizzare il dispositivo stesso utilizzando un DAC è molto più difficile che scegliere un convertitore digitale-analogico dal catalogo, perché oltre al DAC, il sistema includerà molti più componenti elettronici, la cui influenza deve essere presa in considerazione . Di seguito proveremo a considerare questo.
Contenuto:
Tre architetture principali per DAC di precisione
Quando si sceglie la precisione del convertitore D/A per il proprio sistema, è imperativo che le specifiche del DAC soddisfino i requisiti di sistema. Rispetto alla pletora di architetture ADC, la scelta di un convertitore D/A può sembrare un compito facile poiché ci sono solo tre architetture principali in un DAC. Ma sembra solo che il compito sia facile, perché la differenza nelle prestazioni di ciascuna delle architetture è piuttosto significativa.
Il DAC utilizza tre architetture principali: stringa (seriale), R-2R, moltiplicatore DAC (MDAC).
Convertitore stringa D/A
Il concetto alla base del convertitore D/A per stringhe viene da Lord Kelvin dalla metà del 1800:
Il decodificatore di ingresso ha diversi interruttori, uno per ogni schema di bit. Ciascun ingresso digitale è collegato alla tensione corrispondente dell'amplificatore di tensione di uscita.
Un DAC a N bit è costituito da una sequenza di 2 N resistori di adattamento, più una sorgente di tensione a un'estremità e una massa all'altra. Un DAC a tre bit (foto sopra) richiede otto resistori e sette interruttori, ma questi numeri crescono molto fortemente con l'aumentare della profondità di bit, e per un DAC a 16 bit sono necessari 65536 resistori!!! Questo numero è molto grande, anche per i sistemi moderni. Per ridurre il numero di resistori, vengono utilizzati amplificatori di interpolazione e prese per resistori separati.
I convertitori digitale-analogico di stringa o seriali sono adatti per la maggior parte delle applicazioni di precisione come il controllo del movimento, i sistemi di controllo automatico (nei servoazionamenti e nel controllo del motore).
La tensione di uscita dei DAC di stringa è inizialmente monotona con una buona non linearità differenziale (DNL), ma la sua non linearità integrale (INL) non è molto buona, poiché dipende direttamente dall'errore del resistore. Da un punto di vista AC, i DAC String mostrano prestazioni inferiori rispetto ad altre architetture perché hanno un livello di rumore abbastanza elevato a causa dell'elevata impedenza dei resistori e la struttura di commutazione porta a un'elaborazione del segnale più lenta durante le transizioni, limitando la velocità di aggiornamento.
Architettura R-2R
Questa architettura è la più comune tra i convertitori digitale-analogico e il suo circuito è mostrato di seguito:
Questa architettura utilizza solo resistori con due diverse resistenze, i cui rapporti sono definiti come 2 a 1.
Quando viene impostato un bit specifico, il resistore 2R corrispondente viene commutato sulla posizione V REF - H, altrimenti viene impostato sulla posizione V REF - L (massa). Il risultato è una tensione di uscita che sarà la somma di tutte le tensioni ladder 2R.
L'architettura R-2R è particolarmente adatta per installazioni e dispositivi industriali. Sono più precisi dei DAC di stringa, hanno un rumore inferiore a causa della minore impedenza di rete e hanno prestazioni INL e DNL migliori.
La conversione del segnale in un convertitore R-2R consiste nel commutare il pin 2R tra V REF - H e V REF - L. I resistori interni e gli interruttori all'interno del dispositivo non corrispondono perfettamente, il che può portare a determinati guasti durante il processo di commutazione.
Moltiplicazione Convertitore D/A MDAC
Anche il convertitore moltiplicatore MDAC utilizza l'architettura R-2R, ma con la tensione di riferimento V REF. Lo schema è qui sotto:
Quando il bit è impostato, il resistore 2R corrispondente è collegato alla terra virtuale, l'amplificatore operazionale sommatore. Ecco perché il convertitore moltiplicatore digitale-analogico non fornisce tensione, ma corrente, mentre la tensione di riferimento V REF può superare la tensione nominale o addirittura essere negativa.
La sorgente V REF "vede" l'MDAC come una resistenza costante pari a R, quindi ha sempre una corrente di uscita costante, che migliora le prestazioni durante le transizioni veloci poiché non è necessario attendere il ripristino della tensione di riferimento. A seconda del codice digitale, il flusso di corrente è suddiviso in un pin di uscita e un pin di terra. Ciò significa che l'impedenza di uscita sarà diversa e questo rende alquanto difficile scegliere un amplificatore operazionale esterno.
Per migliorare le prestazioni, le uscite MDAC includono un resistore interno come feedback con una risposta termica che corrisponde approssimativamente al resistore a gradino interno. Il rumore interno del convertitore moltiplicatore D/A proviene sia dalle resistenze di gradino che dalla resistenza di feedback. Poiché l'impedenza di uscita dipende dal codice, anche il guadagno di rumore dipende da essa, sebbene il livello di rumore dell'MDAC sia molto inferiore a quello dei DAC seriali (di stringa). Vale la pena notare che un amplificatore operazionale esterno può essere a basso rumore.
Uno degli inconvenienti è che il segnale di ingresso è l'opposto dell'uscita, il che a sua volta richiede un'ulteriore operazione di inversione.
Comprensione dei parametri delle prestazioni CA
Per ottenere le migliori prestazioni da un convertitore AC D/A, ci sono alcune sottigliezze da comprendere, nonché i possibili passaggi da eseguire per ottimizzare.
Il tempo necessario all'amplificatore operazionale per raggiungere il suo valore finale è uno dei principali indicatori della qualità di un DAC. Di seguito sono riportate le sezioni del tempo di risposta del convertitore digitale-analogico:
- Tempo morto ( Tempo morto): è il tempo necessario per raggiungere il 10% del valore dell'uscita analogica richiesta, a partire dal momento in cui il codice digitale è entrato nel convertitore digitale-analogico;
- Tempo di salita dell'uscita ( Svolgi il tempo): tempo necessario affinché l'uscita analogica salga dal 10% al 90%;
- Tempo di recupero e assestamento ( I tempi di recupero, tempo di assestamento lineare): overshoot e costituzione di un segnale analogico di forma data;
Una volta che il valore del segnale di uscita analogico rientra nell'intervallo di errore accettabile, il processo è considerato completo anche se il segnale continua a fluttuare, ma non va oltre l'intervallo di errore accettabile.
La risposta ai transienti di un DAC DAC988 R-2R DAC988 a 18 bit reale è mostrata di seguito:
Il tempo di assestamento viene misurato dal momento in cui il segnale LDAC diventa basso, dopo di che inizia un processo transitorio nel sistema. Si noti che il processo di decadimento del segnale è il più lungo, con un lungo processo di recupero e un'influenza insignificante del segnale statico su di esso.
Errori di commutazione
Il cambiamento ideale nel segnale di uscita di un DAC è un aumento o una diminuzione monotona, ma in realtà non è così e le modifiche del segnale si verificano a passi da gigante. A differenza del tempo di assestamento, l'errore di commutazione è causato dalla mancata corrispondenza della commutazione interna (fattore dominante) o da accoppiamenti capacitivi tra segnali di ingresso digitale e segnali di uscita analogici:
L'errore è caratterizzato dall'area sotto i falsi impulsi positivi e negativi e viene misurato in volt-secondi (il più delle volte in μV ∙ s o nV ∙ s).
All'aumentare del numero di switch paralleli, aumenta anche l'errore. Questo è uno dei difetti dell'architettura R-2R. Gli errori nell'architettura R-2R sono più evidenti quando si cambiano tutti i bit o quando si cambiano i bit più significativi, quando si passa da 0x7FFF a 0x8000 (per DAC a 16 bit).
Se è impossibile ridurre il numero di resistori in serie di commutazione, vengono utilizzati all'uscita del convertitore, i circuiti sono mostrati di seguito:
La figura a) mostra il filtro RC più semplice, che è installato in uscita e consente di ridurre leggermente l'ampiezza dell'errore di uscita, tuttavia, così facendo, ritarda la velocità di risposta del segnale, che aumenta il tempo di ritardo. La figura b) mostra un'ulteriore opzione di campionamento e mantenimento della catena. Sì, questo consente di ridurre l'errore quasi a zero, ma è estremamente difficile implementare un tale schema, poiché impone requisiti rigorosi sul tempo di risposta, nonché una stretta sincronizzazione con la frequenza di aggiornamento del DAC.
Fonti di rumore
Il rumore è uno dei componenti prestazionali più importanti di un moderno convertitore AC D/A. Esistono tre principali fonti di rumore: circuiti di resistori interni, amplificatori interni ed esterni e riferimenti di tensione. L'effetto dei resistori interni sul rumore del convertitore è stato discusso in precedenza in questo articolo, quindi diamo un'occhiata alle altre due fonti di rumore.
Rumore di un amplificatore operazionale esterno
L'uscita dell'amplificatore DAC è un'altra fonte di rumore. MDAC utilizza un amplificatore operazionale esterno, ma altre architetture utilizzano un amplificatore operazionale interno, che influisce sulla figura di rumore di uscita complessiva.
Il rumore in un circuito op-amp ha tre componenti principali:
- 1 / f rumore o rumore sfarfallio;
- Rumore di tensione a banda larga o rumore bianco;
- Rumori di tensioni e correnti ai capi dei resistori;
I primi due sono considerati proprietà intrinseche dell'amplificatore operazionale stesso e la larghezza di banda è limitata dal DAC stesso, il che riduce notevolmente l'effetto del rumore a banda larga. Per le migliori prestazioni AC, considerare amplificatori operazionali con basso rumore 1 / f.
Rumore da tensione di riferimento esterna V REF
Il rumore di uscita del DAC è direttamente correlato al rumore nella tensione di riferimento, che può essere esterna o interna. Per le massime prestazioni e il minimo rumore, utilizzare riferimenti di tensione di qualità. Esiste una vasta selezione di riferimenti di tensione di diversi produttori.
Conclusione
Ottenere le migliori prestazioni AC da un DAC di precisione è una combinazione di comprensione delle specifiche, scelta della giusta architettura e aggiunta dei giusti componenti esterni e, naturalmente, del seguire tecniche comprovate per la selezione e il dimensionamento dei componenti elettronici.
Convertitori digitale-analogico (DAC) - progettato per convertire i segnali digitali in analogico. Tale conversione è necessaria, ad esempio, quando si ripristina un segnale analogico, precedentemente convertito in digitale per la trasmissione a lunga distanza o la memorizzazione (tale segnale, in particolare, può essere sonoro). Un altro esempio di utilizzo di tale conversione è ottenere un segnale di controllo per il controllo digitale di dispositivi, la cui modalità operativa è determinata direttamente da un segnale analogico (che, in particolare, si verifica durante il controllo dei motori).
(xtypo_quote) I parametri principali del DAC includono risoluzione, tempo di assestamento, errore di non linearità, ecc. (/ xtypo_quote)
La risoluzione è il reciproco del numero massimo di passaggi per la quantizzazione del segnale di uscita analogico. Tempo di assestamento t impostato - l'intervallo di tempo dall'applicazione del codice all'ingresso fino al momento in cui il segnale di uscita entra nei limiti specificati, determinati dall'errore. L'errore di non linearità è la massima deviazione del grafico della dipendenza della tensione di uscita dalla tensione specificata da un segnale digitale rispetto alla retta ideale nell'intero intervallo di conversione.
Come quelli in esame, i DAC sono il "collegamento" tra l'elettronica analogica e quella digitale. Esistono vari principi per la costruzione di un ADC.
Circuito DAC con sommatoria delle correnti di peso
Nella fig. 3.88 mostra il circuito DAC con la somma delle correnti di peso.
La chiave S 5 è chiusa solo quando tutte le chiavi S 1 ... S 4 sono aperte (con u out = 0). U 0
- tensione di riferimento. Ogni resistore nel circuito di ingresso corrisponde a un bit specifico del numero binario.
Questo DAC è essenzialmente un amplificatore invertente basato su op-amp. L'analisi di un tale schema non è difficile. Quindi, se una chiave è chiusa
S1, quindi u out = −U 0 R oc / R
che corrisponde alla prima e agli zeri delle restanti cifre.
Dall'analisi del circuito, ne consegue che il modulo della tensione di uscita è proporzionale al numero, il cui codice binario è determinato dallo stato dei tasti S 1 ... S 4. Le correnti dei tasti S 1 ... S 4 si sommano nel punto "a", e le correnti dei tasti differenti sono differenti (hanno "peso" diverso). Questo determina il nome del circuito.
Da quanto sopra segue che 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)
dove S i, i = 1, 2, 3, 4 assume il valore 1 se la chiave corrispondente è chiusa e 0 se la chiave è aperta.
Lo stato delle chiavi è determinato dal codice trasformato in ingresso. Il circuito è semplice, ma presenta degli svantaggi: variazioni significative della tensione ai capi dei tasti e l'uso di resistori con resistenze molto diverse. È difficile fornire la precisione richiesta di queste resistenze.
DAC basato su matrice resistiva R - 2R
Si consideri un DAC basato su una matrice resistiva R - 2R (matrice a resistenza costante) (Fig. 3.89). 
Il circuito utilizza i cosiddetti tasti di commutazione S 1 ... S 4, ciascuno dei quali in uno degli stati è collegato a un punto comune, quindi le tensioni sui tasti sono basse. La chiave S 5 è chiusa solo quando tutte le chiavi S 1 ... S 4 sono collegate ad un punto comune. Il circuito di ingresso utilizza resistori con solo due diversi valori di resistenza.
Dall'analisi del circuito, puoi vedere che per esso il modulo della tensione di uscita è proporzionale al numero, il cui codice binario è determinato dallo stato dei tasti S 1 ... S 4. L'analisi è di facile esecuzione considerando quanto segue. Ciascuno dei tasti S 1 ... S 4 sia collegato a un punto comune. Allora, come è facile intuire, la tensione relativa al punto comune in corrispondenza di ciascuno dei successivi punti "a" ... "d" è 2 volte maggiore rispetto al precedente. Ad esempio, la tensione nel punto "b" è 2 volte maggiore rispetto al punto "a" (le tensioni U a, U b, U c e U d in questi punti sono determinate come segue:
Supponiamo che lo stato delle chiavi specificate sia cambiato. Quindi le tensioni nei punti "a" ... "d" non cambieranno, poiché la tensione tra gli ingressi dell'amplificatore operazionale è praticamente zero.
Da quanto sopra segue che:
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)
dove S i, i = 1, 2, 3, 4 assume il valore 1 se la chiave corrispondente è chiusa e 0 se la chiave è aperta.
DAC per conversione BCD
Si consideri una conversione del convertitore digitale-analogico (BCD) (Figura 3.90).
Una matrice separata R - 2R (indicata da rettangoli) viene utilizzata per rappresentare ciascuna cifra del numero decimale. Z 0 ... Z 3 indicano i numeri determinati dallo stato dei tasti di ciascuna matrice R - 2R. Il principio di funzionamento diventa chiaro se si tiene conto che la resistenza di ciascuna matrice R, e se si analizza il frammento del circuito mostrato in Fig. 3.91. 
Dall'analisi risulta che
U2 = U1 · [(R || 9R) / (8,1R + R || 9R)]
R || 9R = (R 9R) / (R + 9R) = 0,9 R
Pertanto, U2 = 0,1 U1. Con questo in mente, otteniamo
u out = - (U 0 R oc / 16R) 10 −3 (10 3 Z 3 + 10 2 Z 2 + 10 Z 1 + Z 0)
I più comuni sono DAC di 572, 594, 1108, 1118 e altri. 3.2 sono dati ...
Parametri di alcuni DAC
Convertitore da analogico a digitale(ADC, convertitore inglese analogico-digitale, ADC) - un dispositivo che converte un segnale analogico in ingresso in un codice discreto (segnale digitale). La conversione inversa viene eseguita utilizzando un DAC (convertitore da digitale ad analogico, DAC).
Tipicamente, un ADC è un dispositivo elettronico che converte la tensione in un codice digitale binario. Tuttavia, anche alcuni dispositivi non elettronici con uscita digitale dovrebbero essere classificati come ADC, come alcuni tipi di convertitori da angolo a codice. Il più semplice ADC binario a un bit è un comparatore.
Autorizzazione
La risoluzione dell'ADC - la variazione minima del valore di un segnale analogico che può essere convertito da un dato ADC - è correlata alla sua capacità. Nel caso di una singola misura senza considerare il rumore, la risoluzione è determinata direttamente dalla capacità dell'ADC.
La capacità dell'ADC caratterizza il numero di valori discreti che il convertitore può emettere in uscita. Negli ADC binari si misura in bit, negli ADC ternari si misura in triti. Ad esempio, un ADC binario a 8 bit è in grado di produrre 256 valori discreti (0 ... 255), poiché un ADC ternario a 8 bit è in grado di produrre 6561 valori discreti, da allora.
La risoluzione della tensione è uguale alla differenza di tensione corrispondente al codice di uscita massimo e minimo diviso per il numero di valori di uscita discreti. Ad esempio:
Campo di ingresso = da 0 a 10 volt
Binario ADC 12 bit: 212 = 4096 livelli di quantizzazione
Risoluzione tensione ADC binaria: (10-0) / 4096 = 0,00244 volt = 2,44 mV
Profondità in bit dell'ADC 12 trit ternario: 312 = 531 441 livello di quantizzazione
Risoluzione di tensione dell'ADC ternario: (10-0) / 531441 = 0,0188 mV = 18,8 μV
Intervallo di ingresso = da -10 a +10 volt
Bit ADC 14 bit: 214 = 16384 livelli di quantizzazione
Risoluzione tensione ADC binaria: (10 - (- 10)) / 16384 = 20/16384 = 0,00122 volt = 1,22 mV
Profondità in bit dell'ADC 14 trit ternario: 314 = 4 782 969 livelli di quantizzazione
Risoluzione di tensione dell'ADC ternario: (10 - (- 10)) / 4782969 = 0,00418 mV = 4,18 μV
In pratica, la risoluzione dell'ADC è limitata dal rapporto segnale/rumore del segnale in ingresso. Con un'elevata intensità di rumore all'ingresso dell'ADC, diventa impossibile distinguere i livelli adiacenti del segnale di ingresso, ovvero la risoluzione si deteriora. In questo caso, la risoluzione effettivamente ottenibile è descritta dal numero effettivo di bit (ENOB), che è inferiore alla profondità di bit effettiva dell'ADC. Quando si converte un segnale molto rumoroso, i bit meno significativi del codice di uscita sono praticamente inutili, poiché contengono rumore. Per ottenere la larghezza di bit dichiarata, il rapporto S/N del segnale di ingresso dovrebbe essere di circa 6 dB per ogni bit di profondità di bit (6 dB corrisponde a una variazione quadrupla del livello del segnale).
Tipi di conversione
Secondo il metodo utilizzato dagli algoritmi, l'ADC è suddiviso in:
Enumerazione in avanti consecutiva
Successiva approssimazione
Modulazione sigma-delta seriale
Singolo stadio parallelo
Parallelo a due o più stadi (nastro trasportatore)
La caratteristica di trasferimento dell'ADC è la dipendenza dell'equivalente numerico del codice binario in uscita dal valore del segnale analogico in ingresso. Parlano di ADC lineari e non lineari. Questa divisione è condizionata. Entrambe le caratteristiche di trasmissione sono a gradini. Ma per gli ADC "lineari" è sempre possibile tracciare una linea così retta in modo che tutti i punti della caratteristica di trasferimento corrispondenti ai valori di ingresso delta * 2 ^ k (dove delta è il passo di campionamento, k si trova nell'intervallo 0 ..N, dove N è la larghezza di bit dell'ADC) equidistante da esso.
Precisione
Esistono diverse fonti di errore ADC. Errori di quantizzazione e (assumendo che l'ADC dovrebbe essere lineare) non linearità sono inerenti a qualsiasi conversione A/D. Inoltre, ci sono i cosiddetti errori di apertura che sono una conseguenza del jitter del generatore di clock e compaiono quando il segnale viene convertito nel suo insieme (e non solo un campione).
Questi errori sono misurati in unità chiamate LSB - bit meno significativo. Nell'esempio sopra di un ADC binario a 8 bit, un errore in 1 LSB è 1/256 dell'intera gamma del segnale, ovvero lo 0,4%, in un ADC ternario a 5 bit, un errore in 1 LSB è 1/243 dell'intero intervallo del segnale, ovvero 0,412%, in un ADC ternario a 8 bit l'errore in 1 LSM è 1/6561, ovvero 0,015%.
Tipi di ADC
Di seguito sono riportati i modi principali per costruire ADC elettronici:
Conversione diretta ADC:
Gli ADC a conversione diretta paralleli, completamente paralleli agli ADC, contengono un comparatore per ogni livello di ingresso discreto. In qualsiasi momento, solo i comparatori corrispondenti a livelli inferiori al livello del segnale di ingresso emettono un segnale in eccesso alla loro uscita. I segnali di tutti i comparatori vanno o direttamente al registro parallelo, quindi il codice viene elaborato nel software, oppure a un encoder logico hardware che genera il codice digitale richiesto nell'hardware, a seconda del codice all'ingresso dell'encoder. I dati dell'encoder vengono registrati in un registro parallelo. La frequenza di campionamento degli ADC paralleli generalmente dipende dalle caratteristiche hardware delle porte analogiche e logiche, nonché dalla frequenza di campionamento richiesta.
Gli ADC a conversione diretta paralleli sono i più veloci, ma di solito hanno una risoluzione non superiore a 8 bit, poiché comportano costi hardware elevati (comparatori). Gli ADC di questo tipo hanno un chip di dimensioni molto grandi, un'elevata capacità di ingresso e possono produrre errori di uscita a breve termine. Spesso utilizzati per segnali video o altri segnali ad alta frequenza e sono ampiamente utilizzati nell'industria per monitorare processi in rapida evoluzione in tempo reale.
Il funzionamento dell'ADC in pipeline viene utilizzato negli ADC a conversione diretta da parallelo a seriale, contrariamente alla normale modalità di funzionamento degli ADC a conversione diretta parallelo-seriale, in cui i dati vengono trasmessi dopo la conversione completa, durante il funzionamento della pipeline, i dati di conversione parziale sono trasmesso non appena è pronto fino al completamento della conversione completa.
Un ADC ad approssimazione successiva, o ADC a bit bilanciato, contiene un comparatore, un DAC ausiliario e un registro di approssimazione successiva. L'ADC converte un segnale analogico in digitale in N passi, dove N è la capacità dell'ADC. Ad ogni passo viene determinato un bit del valore digitale desiderato, partendo dall'NWR e finendo con l'MWR. La sequenza di azioni per determinare il bit successivo è la seguente. Il DAC ausiliario è impostato ad un valore analogico formato dai bit già definiti nei passaggi precedenti; il bit da determinare in questo passo è posto a 1, i bit meno significativi sono posti a 0. Il valore ottenuto sul DAC ausiliario viene confrontato con il valore analogico di ingresso. Se il valore del segnale di ingresso è maggiore del valore sul DAC ausiliario, il bit determinato viene impostato a 1, altrimenti a 0. Pertanto, la determinazione del valore digitale finale è come una ricerca binaria. Gli ADC di questo tipo hanno sia alta velocità che buona risoluzione. Tuttavia, in assenza di un dispositivo di memorizzazione dei campioni, l'errore sarà molto maggiore (immagina che dopo aver digitalizzato il bit più grande, il segnale inizi a cambiare).
Gli ADC di codifica differenziale (inglese delta-encoded ADC) contengono un contatore di inversione, il cui codice va al DAC ausiliario. Il segnale in ingresso e il segnale dal DAC ausiliario vengono confrontati su un comparatore. A causa del feedback negativo dal comparatore al contatore, il codice sul contatore cambia costantemente in modo che il segnale dal DAC ausiliario differisca il meno possibile dal segnale di ingresso. Dopo qualche tempo, la differenza tra i segnali diventa inferiore all'LSM, mentre il codice del contatore viene letto come segnale di uscita digitale dell'ADC. Gli ADC di questo tipo hanno un intervallo del segnale di ingresso molto ampio e un'alta risoluzione, ma il tempo di conversione dipende dal segnale di ingresso, sebbene sia limitato dall'alto. Nel peggiore dei casi, il tempo di conversione è pari a Tmax = (2q) / fñ, dove q è la capacità dell'ADC, fñ è la frequenza del generatore di clock del contatore. Gli ADC a codifica differenziale sono generalmente una buona scelta per la digitalizzazione dei segnali del mondo reale, poiché la maggior parte dei segnali nei sistemi fisici non è soggetta a salti. Alcuni ADC utilizzano un approccio combinato: codifica differenziale e approssimazione successiva; questo funziona particolarmente bene nei casi in cui le componenti ad alta frequenza nel segnale sono note per essere relativamente piccole.
Gli ADC a confronto di rampa (alcuni ADC di questo tipo sono chiamati ADC integrativi, comprendono anche gli ADC sequenziali) contengono un generatore di tensione a dente di sega (in un ADC sequenziale, un generatore di tensione a gradino costituito da un contatore e un DAC), un comparatore e un contatore temporale. La forma d'onda a dente di sega sale linearmente dal basso verso l'alto, quindi scende rapidamente verso il basso. All'inizio della salita parte il contatore del tempo. Quando il segnale a dente di sega raggiunge il livello di ingresso, il comparatore viene attivato e arresta il contatore; il valore viene letto dal contatore e inviato all'uscita ADC. Questo tipo di ADC è il più semplice nella struttura e contiene il numero minimo di elementi. Allo stesso tempo, gli ADC più semplici di questo tipo hanno una precisione piuttosto bassa e sono sensibili alla temperatura e ad altri parametri esterni. Il generatore a dente di sega può essere costruito attorno a un contatore e un DAC ausiliario per aumentare la precisione, ma questa struttura non ha altri vantaggi rispetto all'approssimazione successiva e agli ADC con codifica differenziale.
Gli ADC con bilanciamento di carica (questi includono ADC con integrazione a due stadi, ADC con integrazione multistadio e alcuni altri) contengono un generatore di corrente costante, un comparatore, un integratore di corrente, un generatore di clock e un contatore di impulsi. La trasformazione avviene in due fasi (integrazione in due fasi). Nella prima fase, il valore della tensione di ingresso viene convertito in una corrente (proporzionale alla tensione di ingresso), che viene alimentata all'integratore di corrente, la cui carica è inizialmente nulla. Questo processo dura per un tempo TN, dove T è il periodo del generatore di clock, N è una costante (un numero intero grande, determina il tempo di accumulo della carica). Trascorso questo tempo, l'ingresso dell'integratore viene disconnesso dall'ingresso dell'ADC e collegato al generatore di corrente costante. La polarità del generatore è tale da ridurre la carica immagazzinata nell'integratore. Il processo di scarica dura fino a quando la carica nell'integratore non scende a zero. Il tempo di scarica viene misurato contando gli impulsi di clock dal momento in cui inizia la scarica fino al raggiungimento della carica zero sull'integratore. Il numero contato di impulsi di clock sarà il codice di uscita dell'ADC. Si può dimostrare che il numero di impulsi n, contati durante il tempo di scarica, è pari a: n = Uin N (RI0) −1, dove Uin è la tensione di ingresso dell'ADC, N è il numero di impulsi nell'accumulo stadio (definito sopra), R è la resistenza del resistore che converte la tensione di ingresso in corrente, I0 è il valore della corrente proveniente dal generatore di corrente stabile, che scarica l'integratore al secondo stadio. Pertanto, i parametri potenzialmente instabili del sistema (in primis la capacità del condensatore dell'integratore) non sono inclusi nell'espressione finale. Questa è una conseguenza del processo in due fasi: gli errori introdotti nella prima e nella seconda fase vengono sottratti reciprocamente. Anche la stabilità a lungo termine del generatore di clock e la tensione di polarizzazione del comparatore non sono imposte: questi parametri devono essere stabili solo per breve tempo, cioè durante ogni conversione (non più di 2TN). Infatti, il principio dell'integrazione a due stadi consente di convertire direttamente il rapporto di due grandezze analogiche (ingresso e corrente di riferimento) nel rapporto dei codici numerici (n e N nei termini sopra definiti) con un errore aggiuntivo minimo o nullo. Gli ADC tipici di questo tipo sono larghi da 10 a 18 bit. Un ulteriore vantaggio è la possibilità di realizzare convertitori insensibili alle interferenze periodiche (ad esempio, le interferenze dell'alimentazione di rete) grazie all'accurata integrazione del segnale di ingresso in un intervallo di tempo fisso. Lo svantaggio di questo tipo di ADC è la sua bassa velocità di conversione. Gli ADC a carica bilanciata sono utilizzati negli strumenti di misura ad alta precisione.
ADC con conversione intermedia in frequenza di ripetizione degli impulsi. Il segnale dal sensore passa attraverso un convertitore di livello e quindi attraverso un convertitore da tensione a frequenza. Pertanto, un segnale viene inviato direttamente all'ingresso del circuito logico, la cui caratteristica è solo la frequenza degli impulsi. Il contatore logico accetta questi impulsi in ingresso durante il tempo di campionamento, emettendo così alla sua fine una combinazione di codici, numericamente uguale al numero di impulsi arrivati al convertitore durante il tempo di campionamento. Tali ADC sono piuttosto lenti e poco precisi, ma nonostante ciò sono molto semplici da implementare e quindi hanno un costo contenuto.
Gli ADC Sigma-delta (detti anche ADC delta-sigma) eseguono la conversione analogico-digitale con una frequenza di campionamento molte volte superiore a quella richiesta e, filtrando, lasciano nel segnale solo la banda spettrale richiesta.
Gli ADC non elettronici sono generalmente costruiti sugli stessi principi.
ADC commerciali
Di norma, sono prodotti sotto forma di microcircuiti.
Per la maggior parte degli ADC, la larghezza di bit è compresa tra 6 e 24 bit, la frequenza di campionamento è fino a 1 MHz. Sono disponibili anche ADC Mega e Gigahertz (febbraio 2002). Gli ADC Megahertz sono necessari nelle videocamere digitali, nei dispositivi di acquisizione video e nei sintonizzatori TV digitali per digitalizzare il segnale video composito. Gli ADC commerciali in genere hanno un errore di uscita compreso tra ± 0,5 e ± 1,5 LSB.
Uno dei fattori che si sommano al costo dei circuiti integrati è il numero di pin, poiché costringono a rendere il pacchetto più grande e ogni pin deve essere collegato a un die. Per ridurre il numero di pin, spesso gli ADC che funzionano a basse frequenze di campionamento dispongono di un'interfaccia seriale. Gli ADC seriali vengono spesso utilizzati per aumentare la densità del cablaggio e creare una scheda più piccola.
Spesso i microcircuiti ADC hanno diversi ingressi analogici collegati all'interno del microcircuito a un singolo ADC tramite un multiplexer analogico. Vari modelli di ADC possono includere dispositivi di trattenimento del campione, amplificatori per strumentazione o ingresso differenziale ad alta tensione e altri circuiti simili.
Altre applicazioni
La conversione da analogico a digitale viene utilizzata ovunque sia necessario ricevere un segnale analogico ed elaborarlo digitalmente.
ADC video speciali vengono utilizzati nei sintonizzatori TV dei computer, nelle schede di ingresso video e nelle videocamere per digitalizzare il segnale video. Gli ingressi per microfono e audio di linea dei computer sono collegati all'ADC audio.
Gli ADC sono parte integrante dei sistemi di acquisizione dati.
L'ADC ad approssimazione successiva a 8-12 bit e l'ADC sigma-delta a 16-24 bit sono integrati nei microcontrollori a chip singolo.
Negli oscilloscopi digitali sono necessari ADC molto veloci (vengono utilizzati ADC paralleli e pipeline)
Le moderne bilance utilizzano ADC fino a 24 bit, che convertono il segnale direttamente da un sensore estensimetrico (sigma-delta-ADC).
Gli ADC fanno parte di modem radio e altri dispositivi di trasmissione dati radio, dove vengono utilizzati insieme a un processore DSP come demodulatore.
Gli ADC ultraveloci sono utilizzati nei sistemi di antenne delle stazioni base (le cosiddette antenne SMART) e negli array di antenne radar.
Convertitore digitale-analogico (DAC) - un dispositivo per convertire un codice digitale (solitamente binario) in un segnale analogico (corrente, tensione o carica). I convertitori D/A sono l'interfaccia tra il mondo digitale discreto e i segnali analogici.
Un convertitore analogico-digitale (ADC) esegue l'operazione opposta.
Un DAC audio di solito riceve un segnale digitale al suo ingresso in modulazione a codice a impulsi (PCM, modulazione a codice a impulsi). Il compito di convertire vari formati compressi in PCM è gestito dai codec appropriati.
Applicazione
Il DAC viene sempre utilizzato quando è necessario convertire un segnale da digitale ad analogico, ad esempio nei lettori CD (Audio CD).
Tipi di DAC
I tipi più comuni di DAC elettronici sono:
Un modulatore di larghezza di impulso è il tipo più semplice di DAC. Una sorgente di corrente o tensione stabile viene periodicamente accesa per un tempo proporzionale al codice digitale convertito, quindi la sequenza di impulsi risultante viene filtrata da un filtro passa-basso analogico. Questo metodo viene spesso utilizzato per controllare la velocità dei motori elettrici e sta diventando popolare anche nelle apparecchiature audio Hi-Fi;
I DAC di sovracampionamento, come i DAC sigma-delta, si basano su una densità di impulsi variabile. Il sovracampionamento consente di utilizzare un DAC con una profondità di bit inferiore per ottenere una profondità di bit maggiore della conversione finale; spesso i DAC delta-sigma si basano sul DAC a 1 bit più semplice che è quasi lineare. Un DAC a basso bit riceve un segnale di impulso con una densità di impulsi modulata (con una larghezza di impulso costante, ma con un ciclo di lavoro variabile), creato utilizzando un feedback negativo. Il feedback negativo funge da filtro passa-alto per il rumore di quantizzazione.
La maggior parte dei DAC ad alta capacità (oltre 16 bit) è basata su questo principio a causa della sua elevata linearità e del basso costo. Le prestazioni del DAC Delta-sigma raggiungono centinaia di migliaia di campioni al secondo, profondità di bit - fino a 24 bit. Un semplice modulatore delta-sigma di primo ordine o di ordine superiore come MASH (Multi stage noise SHAping) può essere utilizzato per generare un segnale modulato a densità di impulsi. All'aumentare della frequenza di sovracampionamento, i requisiti per il filtro passa-basso di uscita vengono ammorbiditi e la soppressione del rumore di quantizzazione migliora;
Un DAC di tipo pesatura, in cui ogni bit del codice binario convertito corrisponde a un resistore oa una sorgente di corrente collegata a un punto di somma comune. La corrente di source (conduttanza del resistore) è proporzionale al peso del bit a cui corrisponde. Pertanto, tutti i bit del codice diversi da zero vengono aggiunti al peso. Il metodo di ponderazione è uno dei più veloci, ma è caratterizzato da una bassa precisione dovuta alla necessità di un insieme di molte diverse sorgenti o resistori di precisione e impedenza variabile. Per questo motivo, i DAC di ponderazione non sono più larghi di otto bit;
DAC ladder (circuito a catena R-2R). Nell'R-2R-DAC, i valori vengono creati in un circuito speciale costituito da resistori con resistenze R e 2R, chiamato matrice a impedenza costante, che ha due tipi di commutazione: diretto - una matrice di correnti e inverso - un matrice di tensioni. L'uso degli stessi resistori può migliorare significativamente l'accuratezza rispetto a un DAC di pesatura convenzionale, poiché è relativamente facile produrre un insieme di elementi di precisione con gli stessi parametri. I DAC di tipo R-2R consentono di eliminare le restrizioni sulla larghezza di bit. Con resistori tagliati al laser su un singolo substrato, si ottiene una precisione di 20-22 bit. La maggior parte del tempo di conversione viene speso nell'amplificatore operazionale, quindi dovrebbe avere le massime prestazioni. velocità DAC di pochi microsecondi o meno (cioè nanosecondi);
SpecificheI DAC si trovano all'inizio del percorso analogico di qualsiasi sistema, quindi i parametri DAC determinano in gran parte i parametri dell'intero sistema nel suo insieme. Le seguenti sono le caratteristiche più importanti di un DAC.
La profondità di bit è il numero di diversi livelli del segnale di uscita che il DAC può riprodurre. Di solito dato in bit; il numero di bit è il logaritmo in base 2 del numero di livelli. Ad esempio, un DAC a un bit è in grado di riprodurre due livelli () e un DAC a otto bit è in grado di riprodurre 256 livelli (). La profondità di bit è strettamente correlata alla profondità di bit effettiva (ENOB, Numero effettivo di bit), che mostra la risoluzione reale raggiungibile su un dato DAC.
La frequenza di campionamento massima è la frequenza massima alla quale il DAC può operare per produrre l'uscita corretta. In accordo con il teorema di Nyquist - Shannon (noto anche come teorema di Kotelnikov), per la corretta riproduzione di un segnale analogico da una forma digitale, è necessario che la frequenza di campionamento sia almeno il doppio della frequenza massima nello spettro del segnale. Ad esempio, per riprodurre l'intera gamma di frequenze audio udibili dall'uomo, il cui spettro si estende fino a 20 kHz, è necessario che il segnale audio sia campionato con una frequenza di almeno 40 kHz. Lo standard Audio CD imposta la frequenza di campionamento audio a 44,1 kHz; per riprodurre questo segnale è necessario un DAC in grado di funzionare a questa frequenza. Nelle schede audio per computer economiche, la frequenza di campionamento è di 48 kHz. I segnali campionati ad altre frequenze vengono sovracampionati fino a 48 kHz, il che degrada parzialmente la qualità del segnale.
La monotonia è la proprietà di un DAC di aumentare il segnale di uscita analogico all'aumentare del codice di ingresso.
THD + N (Total Harmonic Distortion + Noise) è una misura della distorsione e del rumore introdotti nel segnale dal DAC. Espresso come percentuale della potenza armonica e del rumore nel segnale di uscita. Un parametro importante per le applicazioni DAC a piccolo segnale.
La gamma dinamica è il rapporto tra il segnale più grande e il più piccolo che il DAC può riprodurre, espresso in decibel. Questo parametro è correlato alla larghezza di bit e alla soglia di rumore.
Caratteristiche statiche:
DNL (non linearità differenziale) - caratterizza come l'incremento del segnale analogico, ottenuto quando il codice viene aumentato di 1 bit meno significativo (LSB), differisce dal valore corretto;
INL (non linearità integrale) - caratterizza quanto la caratteristica di trasferimento del DAC differisce dall'ideale. La caratteristica ideale è rigorosamente lineare; INL mostra quanto la tensione all'uscita del DAC per un dato codice è dalla caratteristica lineare; espresso in salario minimo;
guadagno;
pregiudizio.
Caratteristiche di frequenza:
SNDR (rapporto segnale-rumore + distorsione) - caratterizza in decibel il rapporto tra la potenza del segnale di uscita e la potenza totale del rumore e della distorsione armonica;
HDi (coefficiente dell'i-esima armonica) - caratterizza il rapporto tra l'i-esima armonica e l'armonica fondamentale;
THD (Distorsione armonica totale) - il rapporto tra la potenza totale di tutte le armoniche (tranne la prima) e la potenza della prima armonica
Un convertitore digitale-analogico (DAC) è un dispositivo per convertire un codice digitale in un segnale analogico in proporzione al valore del codice.
I DAC vengono utilizzati per collegare i sistemi di controllo digitale con dispositivi controllati dal livello di un segnale analogico. Inoltre, il DAC è parte integrante di molte strutture di dispositivi e convertitori analogico-digitali.
Il DAC è caratterizzato da una funzione di conversione. Associa una variazione di un codice digitale a una variazione di tensione o corrente. La funzione di conversione DAC è espressa come segue
sei fuori- il valore della tensione di uscita corrispondente al codice digitale N in fornito agli ingressi DAC.
U max- la tensione massima in uscita corrispondente all'applicazione del codice massimo agli ingressi N max
Il valore per dac, definito dal rapporto, è chiamato coefficiente di conversione digitale-analogico. Nonostante la forma a gradini della caratteristica associata a una variazione discreta del valore di ingresso (codice digitale), si ritiene che i DAC siano convertitori lineari.
Se il valore N in rappresentare attraverso i valori dei pesi delle sue cifre, la funzione di trasformazione può essere espressa come segue
, dove
io- numero di bit del codice in ingresso N in; un io- senso io-esima cifra (zero o uno); U io - peso io-esima categoria; n è il numero di bit del codice di ingresso (il numero di bit DAC).
Il peso di scarica è determinato per una specifica profondità di bit e viene calcolato utilizzando la seguente formula
U OP - Tensione di riferimento DAC
Il principio di funzionamento della maggior parte dei DAC è la somma della frazione dei segnali analogici (peso in bit), a seconda del codice di ingresso.
Il DAC può essere implementato sommando le correnti, sommando le tensioni e dividendo le tensioni. Nel primo e nel secondo caso, in accordo con i valori dei bit del codice di ingresso, vengono riassunti i segnali dei generatori di correnti e sorgenti di EMF. Quest'ultimo è un partitore di tensione controllato da codice. Gli ultimi due metodi non sono ampiamente utilizzati a causa delle difficoltà pratiche della loro attuazione.
Metodi per implementare un DAC con somma pesata delle correnti
Considera la costruzione del DAC più semplice con somma pesata delle correnti.
Questo DAC è costituito da una serie di resistori e da una serie di interruttori. Il numero di chiavi e il numero di resistori è uguale al numero di bit n codice di ingresso. I valori dei resistori sono selezionati in base alla legge binaria. Se R = 3 ohm, allora 2R = 6 ohm, 4R = 12 ohm e così via, ad es. ogni resistore successivo è 2 volte più grande del precedente. Quando una sorgente di tensione è collegata e i tasti sono chiusi, una corrente scorrerà attraverso ciascun resistore. Anche i valori delle correnti ai capi dei resistori, a causa dell'opportuna scelta dei loro rating, saranno distribuiti secondo la legge binaria. Quando si invia il codice di input N in i tasti vengono accesi in funzione del valore dei corrispondenti bit del codice di ingresso. La chiave è chiusa se la cifra corrispondente è uguale a uno. In questo caso si sommano nel nodo le correnti proporzionali ai pesi di queste scariche, e il valore della corrente che fluisce dal nodo nel suo insieme sarà proporzionale al valore del codice in ingresso N in.
La resistenza dei resistori a matrice è scelta abbastanza grande (decine di kΩ). Pertanto, per la maggior parte dei casi pratici, il DAC svolge il ruolo di sorgente di corrente per il carico. Se è necessario ottenere una tensione all'uscita del convertitore, all'uscita di un tale DAC viene installato un convertitore di corrente-tensione, ad esempio su un amplificatore operazionale
Tuttavia, quando il codice viene modificato agli ingressi DAC, la quantità di corrente prelevata dalla sorgente di tensione di riferimento cambia. Questo è il principale svantaggio di questo metodo di costruzione di un DAC. . Questo metodo di costruzione può essere utilizzato solo se il riferimento di tensione sarà con una bassa resistenza interna. In un altro caso, al momento della modifica del codice di ingresso, la corrente prelevata dalla sorgente cambia, il che porta a una variazione della caduta di tensione attraverso la sua resistenza interna e, a sua volta, a un'ulteriore variazione della corrente di uscita non direttamente correlata alla modifica del codice. Questo inconveniente può essere eliminato dalla struttura del DAC con tasti di commutazione.
Questa struttura ha due nodi di output. A seconda del valore dei bit del codice di ingresso, le chiavi ad essi corrispondenti sono collegate al nodo associato all'uscita del dispositivo, oa un altro nodo, il più delle volte messo a terra. In questo caso, attraverso ciascun resistore della matrice, la corrente scorre costantemente, indipendentemente dalla posizione della chiave, e la quantità di corrente consumata dalla sorgente di tensione di riferimento è costante.
Uno svantaggio comune di entrambe le strutture considerate è l'ampio rapporto tra il valore più piccolo e quello più grande dei resistori a matrice. Allo stesso tempo, nonostante la grande differenza nei valori nominali dei resistori, è necessario garantire la stessa precisione assoluta di montaggio sia del resistore più grande che di quello più piccolo. Nella versione integrata del DAC con numero di cifre superiore a 10, è piuttosto difficile fornirlo.
Strutture basate su resistivo R-2R matrici
Con questa costruzione della matrice resistiva, la corrente in ogni successivo ramo parallelo è due volte inferiore rispetto al precedente. La presenza di soli due resistori nella matrice rende abbastanza facile la regolazione dei loro valori.
La corrente di uscita per ciascuna delle strutture presentate è proporzionale contemporaneamente non solo al valore del codice di ingresso, ma anche al valore della tensione di riferimento. Si dice spesso che sia proporzionale al prodotto dei due. Pertanto, tali DAC sono chiamati moltiplicatori. Tali proprietà saranno possedute da tutti DAC, in cui la formazione dei valori ponderati delle correnti corrispondenti ai pesi delle scariche viene effettuata mediante matrici resistive.
Oltre all'uso previsto, i DAC moltiplicatori vengono utilizzati come moltiplicatori da analogico a digitale, come resistenze e conduttività controllate da codice. Sono ampiamente utilizzati come elementi costitutivi per amplificatori (sintonizzabili) controllati da codice, filtri, sorgenti di tensione di riferimento, condizionatori di segnale, ecc.
Parametri ed errori di base del DAC
I principali parametri che si possono vedere nella referenza:
1. Numero di bit - il numero di bit del codice di input.
2. Il fattore di conversione è il rapporto tra l'incremento del segnale di uscita e l'incremento del segnale di ingresso per una funzione di conversione lineare.
3. Il tempo di assestamento della tensione o corrente di uscita è l'intervallo di tempo dal momento di un dato cambio di codice all'ingresso del DAC al momento in cui la tensione o la corrente di uscita entreranno finalmente nella zona con l'ampiezza del bit meno significativo ( MHR).
4. Frequenza massima di conversione: la frequenza di modifica del codice più elevata alla quale i parametri specificati corrispondono agli standard stabiliti.
Ci sono altri parametri che caratterizzano le prestazioni del DAC e le caratteristiche del suo funzionamento. Tra questi: tensione di ingresso di livello basso e alto, consumo di corrente, intervallo di tensione o corrente di uscita.
I parametri più importanti per un DAC sono quelli che ne determinano le caratteristiche di precisione.
Caratteristiche di precisione di ogni DAC , prima di tutto, sono determinati dagli errori normalizzati.
Gli errori si dividono in dinamici e statici. Gli errori statici sono errori che rimangono dopo il completamento di tutti i processi transitori associati a una modifica del codice di input. Gli errori dinamici sono determinati da processi transitori all'uscita del DAC che si sono verificati a seguito di una modifica nel codice di ingresso.
I principali tipi di errori statici DAC sono:
L'errore di conversione assoluto al punto finale della scala è la deviazione del valore della tensione di uscita (corrente) dal valore nominale corrispondente al punto finale della scala della funzione di conversione. Misurato in unità del bit di conversione meno significativo.
Tensione offset zero di uscita - Tensione CC all'uscita del DAC con il codice di ingresso corrispondente al valore zero della tensione di uscita. Misurato in unità della cifra meno significativa. Errore del fattore di conversione (scala) - associato alla deviazione della pendenza della funzione di conversione da quella richiesta.
La non linearità DAC è la deviazione della funzione di conversione effettiva dalla linea retta specificata. È l'errore peggiore con cui è difficile combattere.
In generale, gli errori di non linearità sono divisi in due tipi: integrali e differenziali.
L'errore di non linearità integrale è la massima deviazione della caratteristica reale da quella ideale. Viene infatti considerata la funzione di conversione media. Determinare questo errore come percentuale dell'intervallo finale della quantità di output.
La non linearità differenziale è associata all'imprecisione nell'impostazione dei pesi dei bit, ad es. con errori degli elementi divisori, dispersione dei parametri residui degli elementi chiave, generatori di corrente, ecc.
Metodi per l'identificazione e la correzione degli errori DAC
È auspicabile che la correzione degli errori venga eseguita durante la fabbricazione dei trasduttori (regolazione tecnologica). Tuttavia, è spesso desiderabile quando si utilizza un campione specifico. BIS in un particolare dispositivo. In questo caso la correzione si effettua introducendo nella struttura del dispositivo, oltre a LSI DAC elementi aggiuntivi. Tali metodi sono chiamati strutturali.
Il processo più difficile è garantire la linearità, poiché sono determinati dai relativi parametri di molti elementi e nodi. Molto spesso, solo lo spostamento zero, il coefficiente
I parametri di precisione forniti dai metodi tecnologici si deteriorano quando il convertitore è esposto a vari fattori destabilizzanti, primo fra tutti la temperatura. È necessario ricordare il fattore di invecchiamento degli elementi.
L'offset zero e gli errori di scala possono essere facilmente corretti all'uscita del DAC. Per fare ciò, viene introdotta una polarizzazione costante nel segnale di uscita, che compensa l'offset della caratteristica del trasduttore. La scala di conversione richiesta viene impostata, o correggendo il guadagno impostato all'uscita del convertitore dell'amplificatore, oppure regolando il valore della tensione di riferimento, se il DAC è un moltiplicatore.
I metodi di correzione con controllo di prova consistono nell'identificare gli errori DAC sull'intero insieme di influenze di ingresso consentite e nell'aggiungere le correzioni calcolate sulla base di ciò al valore di ingresso o di uscita per compensare questi errori.
Con qualsiasi metodo di correzione con controllo tramite un segnale di prova, sono previste le seguenti azioni:
1. Misura delle caratteristiche del DAC su un insieme di influenze di prova sufficienti per identificare gli errori.
2. Identificazione degli errori calcolando le loro deviazioni dai risultati della misurazione.
3. Calcolo delle correzioni correttive per i valori convertiti o delle azioni correttive richieste sui blocchi corretti.
4. Correzione.
Il controllo può essere eseguito una volta prima di installare il trasduttore nel dispositivo utilizzando speciali apparecchiature di misurazione da laboratorio. Può anche essere eseguito utilizzando attrezzature specializzate integrate nel dispositivo. In questo caso, il controllo, di regola, viene eseguito periodicamente, per tutto il tempo fino a quando il convertitore non è direttamente coinvolto nel funzionamento del dispositivo. Tale organizzazione di controllo e correzione dei trasduttori può essere effettuata durante il suo funzionamento come parte di un sistema di misura a microprocessore.
Il principale svantaggio di qualsiasi metodo di ispezione end-to-end è il lungo tempo di ispezione insieme all'eterogeneità e al grande volume di attrezzature utilizzate.
I valori delle correzioni determinate in un modo o nell'altro sono memorizzati, di regola, in forma digitale. La correzione degli errori, tenendo conto di queste correzioni, può essere eseguita sia in forma analogica che digitale.
Con la correzione digitale, le correzioni vengono aggiunte tenendo conto del loro segno al codice di ingresso del DAC. Di conseguenza, viene inviato un codice all'ingresso DAC, in corrispondenza del quale viene formata la tensione o il valore di corrente richiesti alla sua uscita. L'implementazione più semplice di questo metodo di correzione consiste in un regolabile DAC, al cui ingresso è installato un dispositivo di memorizzazione digitale ( Memoria)... Il codice di input svolge il ruolo di un codice di indirizzo. V Memoria agli indirizzi corrispondenti vengono inseriti i valori dei codici forniti al DAC corretto, calcolati in anticipo, tenendo conto delle modifiche.
Per la correzione analogica, oltre al DAC principale, viene utilizzato un DAC aggiuntivo. L'intervallo del suo segnale di uscita corrisponde al valore massimo dell'errore del DAC corretto. Il codice di ingresso viene inviato contemporaneamente agli ingressi del DAC corretto e agli ingressi di indirizzo Memoria modifiche. A partire dal Memoria correzione, viene selezionata la correzione corrispondente al valore dato del codice di ingresso. Il codice di correzione viene convertito in un segnale ad esso proporzionale, che viene aggiunto al segnale di uscita del DAC corretto. A causa dell'esiguità dell'intervallo richiesto del segnale di uscita del DAC aggiuntivo rispetto all'intervallo del segnale di uscita del DAC corretto, gli errori intrinseci del primo sono trascurati.
In alcuni casi, diventa necessario correggere la dinamica del funzionamento del DAC.
La risposta transitoria del DAC quando si cambiano diverse combinazioni di codici sarà diversa, in altre parole, il tempo di assestamento del segnale di uscita sarà diverso. Pertanto, quando si utilizza un DAC, è necessario considerare il tempo di assestamento massimo. Tuttavia, in alcuni casi è possibile correggere il comportamento della caratteristica di trasferimento.
Caratteristiche dell'uso di LSI DAC
Per l'applicazione di successo del moderno BIS Non è sufficiente per un DAC conoscere l'elenco delle loro caratteristiche principali e gli schemi di base per la loro inclusione.
Effetto significativo sui risultati dell'applicazione BIS Il DAC soddisfa i requisiti operativi dovuti alle caratteristiche di un particolare microcircuito. Questi requisiti includono non solo l'uso di segnali di ingresso consentiti, tensioni di alimentazione, capacità e resistenza di carico, ma anche l'esecuzione della sequenza di accensione su diversi alimentatori, la separazione dei circuiti di collegamento di diversi alimentatori e il bus comune, il uso di filtri, ecc.
Per i DAC di precisione, la tensione di uscita del rumore è di particolare importanza. La particolarità del problema del rumore nel DAC è la presenza di picchi di tensione alla sua uscita, causati dalle chiavi di commutazione all'interno del convertitore. In ampiezza, queste raffiche possono raggiungere diverse decine di pesi. MHR e creare difficoltà nel funzionamento dei dispositivi di elaborazione del segnale analogico a seguito del DAC. La soluzione al problema della soppressione di tali burst consiste nell'utilizzare dispositivi sample-and-hold all'uscita DAC ( UVH). UVH controllato dalla parte digitale del sistema, che forma nuove combinazioni di codici all'ingresso del DAC. Prima di inserire una nuova combinazione di codici UVH viene messo in modalità di memorizzazione, aprendo il circuito di trasmissione del segnale analogico all'uscita. Ciò impedisce che il picco di tensione di uscita del DAC venga inviato al pin. UVH, che viene quindi messo in modalità di tracciamento, ripetendo l'uscita del DAC.
Particolare attenzione quando si costruisce un DAC basato su BISè necessario prestare attenzione alla scelta dell'amplificatore operazionale, che serve a convertire la corrente di uscita del DAC in tensione. Quando si fornisce il codice di ingresso del DAC in uscita OU ci sarà un errore Dtu a causa della sua tensione di polarizzazione e pari a
,
dove U cm- tensione di polarizzazione OU; Ros- il valore della resistenza nel circuito di retroazione OU; R m- la resistenza della matrice resistiva del DAC (resistenza di uscita del DAC), in funzione del valore del codice applicato al suo ingresso.
Poiché il rapporto cambia da 1 a 0, l'errore dovuto a U cm, cambiamenti nelle corsie (1 ... 2) U cm... Influenza U cm trascurato durante l'uso UO, quale .
A causa dell'ampia area di interruttori a transistor in CMOS BIS capacità di uscita significativa del DAC LSI (40 ... 120 pF a seconda del valore del codice di ingresso). Questa capacità ha un effetto significativo sul tempo di assestamento della tensione di uscita. OU alla precisione richiesta. Per ridurre questa influenza Ros deviato da un condensatore Con le vespe.
In alcuni casi, è necessario ottenere una tensione di uscita bipolare all'uscita del DAC. Ciò può essere ottenuto introducendo un offset dell'intervallo di tensione di uscita all'uscita e moltiplicando i DAC invertendo la polarità della sorgente di tensione di riferimento.
Si prega di notare che se si utilizza un DAC integrato , avendo il numero di bit in più del necessario, allora gli ingressi dei bit non utilizzati vengono collegati al bus di massa, determinando inequivocabilmente il livello zero logico su di essi. Inoltre, per lavorare il più possibile con un'ampia gamma del segnale di uscita del DAC LSI per tali cifre, vengono prese le cifre, iniziando da quella meno significativa.
Uno degli esempi pratici di applicazioni DAC sono i condizionatori di segnale di varie forme. Creato un piccolo modello nel proteus. Con l'aiuto di un DAC di un MK controllato (Atmega8, sebbene possa essere fatto su Tiny), vengono generati segnali di varie forme. Il programma è scritto in C in CVAVR. Premendo il pulsante, il segnale generato cambia.
DAC LSI DAC0808 National Semiconductor, 8 bit, ad alta velocità, incluso come da diagramma tipico. Poiché la sua uscita è corrente, viene convertita in tensione con l'aiuto di un amplificatore invertente su un amplificatore operazionale.
In linea di principio, puoi anche avere cifre così interessanti, qualcosa assomiglia alla verità? Se scegli un po' di più, diventi più fluido
Bibliografia:
1. Bakhtiyarov G.D., Malinin V.V., Shkolin V.P. Convertitori analogico-digitale / Ed. GD Bakhtiyarova - M.: Sov. Radio. - 1980 .-- 278 p.: ill.
2. Progettazione di sistemi a microprocessore di controllo analogico-digitale.
3.O.V. Shishov. - Saransk: Casa editrice di Mordovs. Università 1995. - p.
Di seguito è possibile scaricare il progetto su
