Acest articol discută principalele probleme legate de principiul funcționării ADC-urilor de diferite tipuri. În același timp, unele calcule teoretice importante privind descrierea matematică a conversiei analog-digital au rămas în afara domeniului articolului, dar sunt furnizate link-uri unde cititorul interesat poate găsi o analiză mai profundă a aspectelor teoretice ale funcționării ADC. . Astfel, articolul se ocupă mai mult de înțelegerea principiilor generale ale funcționării ADC decât de o analiză teoretică a muncii lor.
Introducere
Ca punct de plecare, să definim conversia analog-digitală. Conversia analog-digitală este procesul de conversie a unei mărimi fizice de intrare în reprezentarea sa numerică. Un convertor analog-digital este un dispozitiv care realizează o astfel de conversie. În mod formal, valoarea de intrare a ADC poate fi orice mărime fizică - tensiune, curent, rezistență, capacitate, rată de repetare a impulsului, unghi de rotație a arborelui etc. Cu toate acestea, pentru certitudine, în viitor, prin ADC vom înțelege doar convertoare de tensiune la cod.
Conceptul de conversie analog-digitală este strâns legat de conceptul de măsurare. Măsurarea este înțeleasă ca procesul de comparare a valorii măsurate cu un anumit standard; în timpul conversiei analog-digitale, valoarea de intrare este comparată cu o anumită valoare de referință (de obicei, cu o tensiune de referință). Astfel, conversia analog-digitală poate fi considerată ca o măsurare a valorii semnalului de intrare și i se aplică toate conceptele de metrologie, cum ar fi erorile de măsurare.
Principalele caracteristici ale ADC
ADC-ul are multe caracteristici, dintre care frecvența de conversie și adâncimea de biți pot fi numite principale. Frecvența de conversie este de obicei exprimată în mostre pe secundă (SPS), adâncimea de biți este în biți. ADC-urile moderne pot avea o adâncime de până la 24 de biți și o rată de conversie de până la unități GSPS (desigur, nu simultan). Cu cât viteza și adâncimea de biți sunt mai mari, cu atât este mai dificilă obținerea caracteristicilor necesare, cu atât convertorul este mai scump și mai complex. Viteza de conversie și adâncimea de biți sunt legate între ele într-un anumit fel și putem crește adâncimea de biți de conversie efectivă prin sacrificarea vitezei.
Tipuri ADC
Există multe tipuri de ADC, dar în acest articol ne vom limita la a lua în considerare doar următoarele tipuri:
- Conversie paralelă ADC (conversie directă, ADC flash)
- ADC cu aproximare succesivă (SAR ADC)
- ADC delta-sigma (ADC cu încărcare echilibrată)
ADC-urile de conversie directă (paralelă) au cea mai mare performanță și cea mai mică adâncime de biți. De exemplu, ADC-ul de conversie paralelă TLC5540 de la Texas Instruments are o viteză de 40MSPS cu o lățime de biți de doar 8 biți. ADC-urile de acest tip pot avea rate de conversie de până la 1 GSPS. Se poate remarca aici că ADC-urile pipeline (ADC-uri pipeline) au o viteză și mai mare, cu toate acestea, sunt o combinație a mai multor ADC-uri cu viteză mai mică și luarea în considerare a acestora depășește scopul acestui articol.
Nișa de mijloc din seria de viteză de biți este ocupată de ADC-uri succesive de aproximare. Valorile tipice sunt 12-18 biți la o rată de conversie de 100KSPS-1MSPS.
Cea mai mare precizie este obținută de ADC-urile sigma-delta cu o adâncime de până la 24 de biți inclusiv și o viteză de la unitățile SPS la unitățile KSPS.
Un alt tip de ADC care și-a găsit utilizare în trecutul recent este ADC-ul de integrare. ADC-urile integratoare au fost aproape complet înlocuite de alte tipuri de ADC-uri, dar pot fi găsite în instrumentele de măsură mai vechi.
ADC cu conversie directă
ADC-urile cu conversie directă s-au răspândit în anii 1960 și 1970 și au început să fie produse ca circuite integrate în anii 1980. Ele sunt adesea folosite ca parte a ADC-urilor „conducte” (nu sunt luate în considerare în acest articol) și au o capacitate de 6-8 biți la o viteză de până la 1 GSPS.
Arhitectura ADC cu conversie directă este prezentată în fig. unu
Orez. 1. Diagrama structurală a ADC cu conversie directă
Principiul de funcționare al ADC este extrem de simplu: semnalul de intrare este alimentat simultan la toate intrările „pozitive” ale comparatoarelor, iar intrările „negative” sunt alimentate cu o serie de tensiuni obținute de la referință prin împărțirea la rezistențele R. Pentru circuitul din Fig. 1 acest rând va fi: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, unde Uref este tensiunea de referință ADC.
Aplicați o tensiune egală cu 1/2 Uref la intrarea ADC. Atunci primele 4 comparatoare vor funcționa (dacă numărați de mai jos), iar la ieșirile lor vor apărea cele logice. Codificatorul prioritar va forma un cod binar din „coloana” de unități, care este fixat de registrul de ieșire.
Acum, avantajele și dezavantajele unui astfel de convertor devin clare. Toate comparatoarele funcționează în paralel, timpul de întârziere al circuitului este egal cu timpul de întârziere dintr-un comparator plus timpul de întârziere din encoder. Comparatorul și codificatorul pot fi realizate foarte rapid și, ca urmare, întregul circuit are o viteză foarte mare.
Dar pentru a obține N biți, aveți nevoie de 2^N comparatoare (și complexitatea codificatorului crește, de asemenea, cu 2^N). Schema din fig. 1. conține 8 comparatoare și are 3 biți, pentru a obține 8 biți ai nevoie de 256 de comparatoare, pentru 10 biți - 1024 comparatoare, pentru un ADC pe 24 de biți ar avea nevoie de peste 16 milioane.Totuși, tehnologia nu a atins încă astfel de înălțimi.
ADC de aproximare succesivă
Convertorul analog-digital al Registrului de aproximare succesivă (SAR) măsoară mărimea unui semnal de intrare prin efectuarea unei serii de „ponderări” succesive, adică comparații ale mărimii tensiunii de intrare cu o serie de mărimi generate după cum urmează:
1. La primul pas, la ieșirea convertorului digital-analogic încorporat este setată o valoare egală cu 1/2Uref (în continuare presupunem că semnalul este în intervalul (0 - Uref).
2. dacă semnalul este mai mare decât această valoare, atunci este comparat cu tensiunea situată la mijlocul intervalului rămas, adică, în acest caz, 3/4Uref. Dacă semnalul este mai mic decât nivelul setat, atunci următoarea comparație se va face cu mai puțin de jumătate din intervalul rămas (adică cu nivelul 1/4Uref).
3. Pasul 2 se repetă de N ori. Astfel, N comparații („ponderări”) generează N biți ai rezultatului.
Orez. 2. Diagrama structurală a ADC de aproximare succesivă.
Astfel, ADC de aproximare succesivă constă din următoarele noduri:
1. Comparator. Compară valoarea de intrare și valoarea curentă a tensiunii „greutate” (indicată printr-un triunghi în Fig. 2).
2. Convertor digital-analogic (Digital to Analog Converter, DAC). Acesta generează o valoare de tensiune „ponderată” pe baza codului digital primit la intrare.
3. Registrul de aproximare succesivă (SAR). Implementează algoritmul de aproximare succesivă, generând valoarea curentă a codului alimentat la intrarea DAC-ului. Întreaga arhitectură ADC este numită după numele său.
4. Schema Sample-hold (Sample/Hold, S/H). Pentru funcționarea acestui ADC, este esențial important ca tensiunea de intrare să rămână constantă pe parcursul întregului ciclu de conversie. Cu toate acestea, semnalele „reale” tind să se schimbe în timp. Circuitul de eșantionare și menținere „îți amintește” valoarea curentă a semnalului analogic și o menține neschimbată pe parcursul întregului ciclu al dispozitivului.
Avantajul dispozitivului este o viteză de conversie relativ mare: timpul de conversie al unui ADC de N biți este de N cicluri. Precizia conversiei este limitată de acuratețea DAC-ului intern și poate fi de 16-18 biți (acum au început să apară SAR-uri ADC pe 24 de biți, de exemplu, AD7766 și AD7767).
Delta Sigma ADC
În cele din urmă, cel mai interesant tip de ADC este ADC sigma-delta, la care se face referire uneori în literatură ca ADC echilibrat cu sarcină. Schema bloc a ADC sigma-delta este prezentată în fig. 3.
Fig.3. Diagrama structurală a ADC sigma-delta.
Principiul de funcționare al acestui ADC este ceva mai complicat decât cel al altor tipuri de ADC. Esența sa este că tensiunea de intrare este comparată cu valoarea tensiunii acumulată de integrator. Impulsurile de polaritate pozitivă sau negativă sunt alimentate la intrarea integratorului, în funcție de rezultatul comparației. Astfel, acest ADC este un sistem simplu de urmărire: tensiunea de la ieșirea integratorului „urmărește” tensiunea de intrare (Fig. 4). Rezultatul acestui circuit este un flux de zerouri și unu la ieșirea comparatorului, care este apoi trecut printr-un filtru digital trece-jos, rezultând un rezultat de N biți. LPF din fig. 3. Combinat cu un „decimator”, un dispozitiv care reduce frecvența citirilor prin „subțierea” acestora.
Orez. 4. Sigma-delta ADC ca sistem de urmărire
Din motive de rigoare, trebuie spus că în fig. 3 este o diagramă bloc a unui ADC sigma-delta de ordinul întâi. Un ADC sigma-delta de ordinul doi are doi integratori și două bucle de feedback, dar nu va fi discutat aici. Cei interesați de acest subiect se pot referi la.
Pe fig. 5 prezintă semnalele din ADC la nivelul zero la intrare (sus) și la nivelul Vref / 2 (jos).
Orez. 5. Semnale în ADC la diferite niveluri de semnal la intrare.
Acum, fără a intra în analize matematice complexe, să încercăm să înțelegem de ce ADC-urile sigma-delta au un nivel foarte scăzut de autozgomot.
Luați în considerare schema bloc a modulatorului sigma-delta prezentat în fig. 3 și prezentați-l sub această formă (Fig. 6):
Orez. 6. Schema structurală a modulatorului sigma-delta
Aici, comparatorul este reprezentat ca un sumator care însumează un semnal util continuu și un zgomot de cuantizare.
Fie ca integratorul să aibă o funcție de transfer 1/s. Apoi, reprezentând semnalul util ca X(s), ieșirea modulatorului sigma-delta ca Y(s) și zgomotul de cuantizare ca E(s), obținem funcția de transfer a ADC:
Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)
Adică, de fapt, modulatorul sigma-delta este un filtru trece-jos (1/(s+1)) pentru semnalul util și un filtru trece-înalt (s/(s+1)) pentru zgomot, ambele filtre având aceeași frecvență de tăiere. Zgomotul concentrat în regiunea de înaltă frecvență a spectrului este ușor îndepărtat de un filtru digital trece-jos, care este situat după modulator.
Orez. 7. Fenomenul de „deplasare” a zgomotului în partea de înaltă frecvență a spectrului
Cu toate acestea, trebuie înțeles că aceasta este o explicație extrem de simplificată a modelării zgomotului într-un ADC sigma-delta.
Deci, principalul avantaj al ADC sigma-delta este precizia ridicată, datorită nivelului extrem de scăzut de zgomot intrinsec. Cu toate acestea, pentru a obține o precizie ridicată, este necesar ca frecvența de tăiere a filtrului digital să fie cât mai mică posibil, de multe ori mai mică decât frecvența modulatorului sigma-delta. Prin urmare, ADC-urile sigma-delta au o rată de conversie scăzută.
Ele pot fi utilizate în tehnologia audio, dar principala utilizare este în automatizarea industrială pentru conversia semnalelor senzorilor, în instrumente de măsură și în alte aplicații în care este necesară o precizie ridicată. dar nu este necesară viteza mare.
Un pic de istorie
Cea mai veche referință ADC din istorie este probabil brevetul Paul M. Rainey, „Facsimile Telegraph System”, U.S. Brevet 1.608.527, depus la 20 iulie 1921, eliberat la 30 noiembrie 1926. Dispozitivul descris în brevet este de fapt un ADC cu conversie directă de 5 biți.
Orez. 8. Primul brevet ADC
Orez. 9. Conversie directă ADC (1975)
Dispozitivul prezentat în figură este un ADC MOD-4100 cu conversie directă fabricat de Computer Labs, fabricat în 1975, asamblat pe baza unor comparatoare discrete. Există 16 comparatoare (acestea sunt amplasate într-un semicerc pentru a egaliza întârzierea de propagare a semnalului către fiecare comparator), prin urmare, ADC-ul are o lățime de biți de doar 4 biți. Rata de conversie 100 MSPS, consum de energie 14 wați.
Figura următoare prezintă o versiune avansată a ADC cu conversie directă.
Orez. 10. Conversie directă ADC (1970)
VHS-630 din 1970, fabricat de Computer Labs, avea 64 de comparatoare, avea 6 biți, 30MSPS și consuma 100 wați (VHS-675 din 1975 avea 75 MSPS și consuma 130 wați).
Literatură
W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial.
Uneori pare că lumea digitală se îmbină aproape complet cu cea reală. Dar, în ciuda apariției unor astfel de sisteme precum „gigaFLOPS”, „22 nm” și multe altele, lumea reală rămâne cu încăpățânare analogă și deloc digitală și încă mai trebuie să lucrăm cu sistemele noastre digitale, care sunt prezente aproape peste tot în lumea modernă.
Convertor digital-analogic DAC convertește un semnal digital de intrare într-o ieșire analogică. Conceptul de „precizie” poate varia (în funcție de producător), dar vom descrie convertoare digital-analogic cu o rezoluție de 8 până la 16 biți și viteze de până la 10 MS/s. Aceste convertoare digital-analogice (DAC) sunt utilizate într-o varietate de aplicații - echipamente audio și video, control procesor, instrumente, sisteme de automatizare, sisteme de acționare electrică și multe altele. Fiecare sistem individual are cerințe individuale pentru DAC, cum ar fi rezoluția, caracteristicile statice și dinamice, consumul de energie și altele.
Parametrii și fișa de date specifică eroarea de compensare, neliniaritatea diferențială (DNL), neliniaritatea integrală (INL) și alți parametri necesari pentru a asigura o performanță bună în sistemele de curent continuu, cum ar fi acționarea motorului sau controlul procesului.
Unele aplicații, cum ar fi generarea semnalului de afișare, subliniază necesitatea unei bune performanțe AC, care este listată în fișele de date în termeni de decalaj, zgomot și lățime de bandă. Realizarea dispozitivului în sine folosind un DAC este mult mai dificilă decât alegerea unui convertor digital-analogic din catalog, deoarece, pe lângă DAC, sistemul va include mult mai multe componente electronice, a căror influență trebuie să fie luată în considerare. . Mai jos vom încerca să luăm în considerare acest lucru.
Conţinut:
Trei arhitecturi principale pentru DAC-uri de precizie
Atunci când alegeți precizia convertorului D/A pentru sistemul dvs., este esențial ca specificația DAC să corespundă cerințelor sistemului. În comparație cu multitudinea de arhitecturi de convertoare A/D ADC, alegerea unui convertor D/A poate părea o problemă, deoarece există doar trei arhitecturi principale într-un DAC. Dar se pare doar că sarcina este ușoară, deoarece diferența de performanță a fiecărei arhitecturi este destul de semnificativă.
DAC-ul folosește trei arhitecturi principale - string (serial), R-2R, multiplicator DAC (multiplying DAC (MDAC)).
Convertor de șiruri digital-analogic
Conceptul din spatele convertorului D/A șir vine de la Lord Kelvin de la mijlocul anilor 1800:
Decodorul de intrare are mai multe comutatoare, câte unul pentru fiecare combinație de biți. Fiecare intrare digitală este conectată la tensiunea corespunzătoare a amplificatorului de tensiune de ieșire.
Un DAC de N biți constă dintr-o serie de rezistențe de potrivire de 2 N, precum și o sursă de tensiune la un capăt și o masă la celălalt. Un DAC pe 3 biți (figura de mai sus) necesită opt rezistențe și șapte comutatoare, dar aceste numere cresc foarte mult odată cu creșterea adâncimii de biți, iar un DAC pe 16 biți are deja nevoie de 65536 de rezistențe !!! Acest număr este foarte mare, chiar și pentru sistemele moderne. Pentru a reduce numărul de rezistențe, se folosesc amplificatoare de interpolare și robinete la rezistențele individuale.
Convertoarele D/A string sau seriale sunt potrivite pentru majoritatea aplicațiilor de precizie, cum ar fi controlul mișcării, sistemele de control automat (în servomotor și controlul motoarelor).
Tensiunea de ieșire a DAC-urilor șir este inițial monotonă, cu o neliniaritate diferențială bună (DNL), dar neliniaritatea sa integrală (INL) nu este foarte bună, deoarece depinde direct de eroarea rezistorului. Din punct de vedere al sistemului AC, DAC-urile string prezintă performanțe slabe în comparație cu alte arhitecturi, deoarece sunt destul de zgomotoase din cauza impedanței mari a rezistențelor, iar structura de comutare are ca rezultat procesarea lentă a semnalului la tranziții, limitând în același timp rata de actualizări. .
Arhitectura R-2R
Această arhitectură este cea mai comună printre convertoarele digital-analogic și diagrama ei este prezentată mai jos:
Această arhitectură folosește numai rezistențe cu două rezistențe diferite, raportul dintre care este definit ca 2 la 1.
Când un anumit bit este setat, rezistorul 2R corespunzător este setat la V REF - H , în caz contrar este setat la V REF - L (masă). Rezultatul este o tensiune de ieșire care va fi suma tuturor tensiunilor ladder 2R.
Arhitectura R-2R este potrivită pentru aplicații și dispozitive industriale. Sunt mai precise decât convertoarele D/A cu șir, au niveluri de zgomot mai mici datorită rezistenței mai mici rezultate și performanțe INL și DNL mai bune.
Conversia semnalului în convertorul cu arhitectura R-2R este comutarea piciorului 2R între V REF - H și V REF - L. Rezistoarele interne și comutatoarele din interiorul dispozitivului nu se potrivesc perfect, ceea ce poate duce la anumite defecțiuni în procesul de comutare.
Multiplicarea convertorului digital-analogic MDAC
Convertorul multiplicator MDAC folosește și arhitectura R-2R, dar cu o tensiune de referință V REF . Schema de mai jos:
Când bitul este setat, rezistorul 2R corespunzător este conectat la pământ virtual - amplificatorul operațional însumat. De aceea, convertizorul digital-analogic multiplicator nu emite tensiune, ci curent, în timp ce tensiunea de referință V REF poate depăși tensiunea nominală sau chiar poate fi negativă.
Sursa V REF „vede” o rezistență constantă egală cu R în MDAC, deci are întotdeauna un curent de ieșire constant, ceea ce îmbunătățește performanța în timpul tranzițiilor rapide, deoarece nu este nevoie să așteptați ca referința de tensiune să se refacă. În funcție de codul digital, fluxul de curent este împărțit într-un contact de ieșire și un contact de masă. Aceasta înseamnă că impedanța de ieșire va fi diferită, ceea ce face oarecum dificilă alegerea unui amplificator operațional extern.
Pentru a îmbunătăți performanța de ieșire, MDAC-urile includ un rezistor intern ca feedback cu un răspuns termic aproximativ egal cu rezistorul intern al etapei. Zgomotul intern de la convertorul D/A multiplicator provine atât de la rezistențele în trepte, cât și de la rezistența de feedback. Deoarece impedanța de ieșire este dependentă de cod, câștigul de zgomot depinde și de acesta, deși nivelul de zgomot al MDAC-urilor este mult mai mic decât cel al DAC-urilor seriale (șir). Este demn de remarcat faptul că amplificatorul operațional extern poate fi cu zgomot redus.
Un dezavantaj este că semnalul de intrare este inversul semnalului de ieșire, care, la rândul său, necesită o operație suplimentară de inversare.
Înțelegerea parametrilor de performanță AC
Pentru a obține cele mai bune performanțe de la un convertor AC D/A, există anumite subtilități care trebuie înțelese, precum și posibili pași care pot fi luați pentru optimizarea acestuia.
Timpul necesar pentru ca amplificatorul operațional să atingă valoarea finală este unul dintre principalii indicatori ai calității unui DAC. Timpii de răspuns ai convertorului digital-analogic sunt afișați mai jos:
- timp mort ( timp mort): este timpul necesar pentru a atinge 10% din valoarea cerută a semnalului analogic de ieșire, începând din momentul în care codul digital a intrat în convertorul digital-analogic;
- Timp de creștere a ieșirii ( Sleap time): timpul necesar pentru ca semnalul de ieșire analogic să crească de la 10% la 90%;
- Timp de recuperare și stabilire ( timp de recuperare, timpul de decantare liniar): depăşirea şi stabilirea unui semnal analogic de o formă dată;
Odată ce valoarea de ieșire analogică se află în intervalul de eroare acceptabil, procesul este considerat finalizat chiar dacă semnalul este încă fluctuant, dar în intervalul de eroare acceptabil.
Următoarele arată procesul tranzitoriu al unui convertor digital-analogic R-2R DAC988 real, cu un singur canal, pe 18 biți:
Timpul de stabilire a semnalului este măsurat din momentul în care semnalul LDAC scade, după care începe procesul tranzitoriu în sistem. Acordați atenție faptului că procesul de dezintegrare a semnalului este cel mai lung, cu un proces lung de recuperare și influența nesemnificativă a unui semnal static asupra acestuia.
Erori de comutare
Schimbarea ideală a semnalului de ieșire al DAC este creșterea sau scăderea sa monotonă, dar în realitate nu este cazul, iar modificările semnalului apar brusc. Spre deosebire de timpul de stabilire, eroarea de comutare este cauzată de nepotrivirea internă a comutării (factor dominant) sau de cuplaje capacitive între semnalele de intrare digitală și de ieșire analogică:
Eroarea este caracterizată de aria de sub impulsul fals pozitiv și negativ și este măsurată în volți-secunde (cel mai adesea în µV∙s sau nV∙s).
Pe măsură ce numărul de comutatoare paralele crește, crește și eroarea. Acesta este unul dintre deficiențele arhitecturii R-2R. Erorile din arhitectura R-2R sunt cele mai vizibile la schimbarea tuturor biților sau la comutarea celor mai semnificativi biți, la trecerea de la 0x7FFF la 0x8000 (pentru DAC-uri pe 16 biți).
Dacă este imposibil să se reducă numărul de rezistențe de comutare în serie, atunci acestea sunt utilizate la ieșirea convertorului, diagramele sunt prezentate mai jos:
Figura a) prezintă cel mai simplu filtru RC, care este instalat la ieșire și vă permite să reduceți ușor amplitudinea erorii de ieșire, totuși, făcând acest lucru, strânge rata de mișcare, ceea ce crește timpul de întârziere. Figura b) prezintă opțiunea de adăugare a unui eșantion și de ținere a lanțului. Da, acest lucru vă permite să reduceți eroarea la aproape zero, dar este extrem de dificil să implementați o astfel de schemă, deoarece impune cerințe stricte privind timpul de răspuns, precum și o sincronizare strânsă cu rata de actualizare a DAC.
Surse de zgomot
Zgomotul este una dintre cele mai importante componente de performanță ale unui convertor AC D/A modern. Există trei surse principale de zgomot - circuite de rezistență interne, amplificatoare interne și externe și referințe de tensiune. Efectul rezistențelor interne asupra zgomotului convertorului a fost discutat mai devreme în acest articol, așa că să ne uităm la celelalte două surse de zgomot.
Zgomot de la amplificatorul operațional extern
Ieșirea amplificatorului DAC este o altă sursă de zgomot. MDAC folosește un amplificator operațional extern, dar alte arhitecturi folosesc un amplificator operațional intern, care afectează cifra generală a zgomotului de ieșire.
Zgomotul dintr-un circuit op-amp are trei componente principale:
- zgomot 1/f sau zgomot de pâlpâire;
- Zgomot de tensiune în bandă largă sau zgomot alb;
- Zgomot de tensiune și curent pe rezistențe;
Primele două sunt considerate proprietăți interne ale amplificatorului operațional în sine, iar lățimea de bandă este limitată de convertorul digital-analogic în sine, ceea ce reduce foarte mult efectul zgomotului de bandă largă. Pentru cea mai bună performanță AC, căutați amplificatoare operaționale cu zgomot redus de 1/f.
Zgomot de la tensiunea de referință externă V REF
Zgomotul de ieșire al DAC este direct dependent de zgomotul din tensiunea de referință, care poate fi fie extern, fie intern. Pentru a asigura performanța maximă și nivelul minim de zgomot, este necesar să folosiți surse de referință de tensiune de înaltă calitate. Există o selecție uriașă de referințe de tensiune de la mai mulți producători.
Ieșire
Obținerea celei mai bune performanțe AC de la un DAC de precizie este o combinație între înțelegerea specificațiilor, alegerea arhitecturii potrivite și adăugarea componentelor externe potrivite și, bineînțeles, respectarea practicilor dovedite de selecție și dimensionare a componentelor electronice.
Convertoare digital-analogice (DAC) — conceput pentru a converti semnalele digitale în analogice. O astfel de conversie este necesară, de exemplu, la restaurarea unui semnal analogic care a fost anterior convertit în digital pentru transmisie pe o distanță lungă sau stocare (un astfel de semnal, în special, poate fi sunet). Un alt exemplu de utilizare a unei astfel de conversii este primirea unui semnal de control în controlul digital al dispozitivelor al căror mod de funcționare este determinat direct de un semnal analogic (care, în special, are loc în controlul motoarelor).
(xtypo_quote)Principalii parametri ai DAC includ rezoluția, timpul de stabilire, eroarea de neliniaritate etc. (/xtypo_quote)
Rezoluția este reciproca numărului maxim de pași de cuantizare pentru semnalul analogic de ieșire. Timpul de stabilire t setat este intervalul de timp de la aplicarea codului la intrare până la momentul în care semnalul de ieșire intră în limitele specificate determinate de eroare. Eroare de neliniaritate - abaterea maximă a graficului tensiunii de ieșire de la tensiunea specificată de semnalul digital, în raport cu linia dreaptă ideală pe întregul interval de conversie.
Asemenea celor luate în considerare, DAC-urile sunt „legătura” dintre electronicele analogice și cele digitale. Există diverse principii pentru construirea unui ADC.
Schema unui DAC cu însumarea curenților de greutate
Pe fig. 3.88 prezintă un circuit DAC cu însumarea curenților de greutate.
Cheia S 5 este închisă numai când toate cheile S 1 ... S 4 sunt deschise (în acest caz, u out = 0). U 0
- tensiune de referinta. Fiecare rezistor din circuitul de intrare corespunde unui anumit bit dintr-un număr binar.
În esență, acest DAC este un amplificator inversor bazat pe un amplificator operațional. Analiza unei astfel de scheme nu este dificilă. Deci, dacă o cheie este închisă
S1, atunci u out = −U 0 R oc / R
care corespunde primei și zerourilor din cifrele rămase.
Din analiza circuitului rezultă că modulul tensiunii de ieșire este proporțional cu numărul, al cărui cod binar este determinat de starea tastelor S 1 ... S 4 . Curenții cheilor S 1 ... S 4 sunt însumați la punctul „a”, iar curenții diferitelor chei sunt diferiți (au „greutăți”) diferite. Aceasta determină numele schemei.
Din cele de mai sus rezultă că u out \u003d - (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 Roc / R) (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)
unde S i ,i = 1, 2, 3, 4 ia valoarea 1 dacă cheia corespunzătoare este închisă și 0 dacă cheia este deschisă.
Starea tastelor este determinată de codul de transformare de intrare. Circuitul este simplu, dar are dezavantaje: modificări semnificative ale tensiunii pe taste și utilizarea rezistențelor cu rezistențe foarte diferite. Este dificil să se asigure precizia necesară acestor rezistențe.
DAC bazat pe matrice rezistivă R - 2R
Considerăm un DAC bazat pe o matrice rezistivă R - 2R (matrice de rezistență constantă) (Fig. 3.89). 
Circuitul folosește așa-numitele taste flip S 1 ... S 4 , fiecare dintre ele conectată la un punct comun într-una dintre stări, astfel încât tensiunile de pe taste sunt scăzute. Cheia S 5 este închisă numai atunci când toate cheile S 1 ... S 4 sunt conectate la un punct comun. Circuitul de intrare folosește rezistențe cu doar două valori diferite de rezistență.
Din analiza circuitului, se poate observa că pentru acesta modulul de tensiune de ieșire este proporțional cu numărul, al cărui cod binar este determinat de starea tastelor S 1 ... S 4. Analiza este ușor de efectuat având în vedere următoarele. Fie fiecare dintre cheile S 1 ... S 4 este conectată la un punct comun. Apoi, după cum este ușor de observat, tensiunea relativă la punctul comun în fiecare dintre următoarele puncte "a" ... "d" este de 2 ori mai mare decât în punctul precedent. De exemplu, tensiunea în punctul „b” este de 2 ori mai mare decât în punctul „a” (tensiunile U a, U b, U c și U d în punctele indicate sunt determinate după cum urmează:
Să presupunem că starea cheilor specificate s-a schimbat. Apoi, tensiunile din punctele „a” ... „d” nu se vor schimba, deoarece tensiunea dintre intrările amplificatorului operațional este aproape zero.
Din cele de mai sus rezultă că:
u out \u003d - (U 0 R oc / 2R) S 4 - ((U 0 /2) Roc / 2R) S 3 - ((U 0 /4) Roc / 2R) S 2 - (( U 0 / 8) R oc / 2R) S 1 \u003d - (U 0 R oc / 16R) (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)
unde S i , i = 1, 2, 3, 4 ia valoarea 1 dacă comutatorul corespunzător este închis și 0 dacă întrerupătorul este deschis.
DAC pentru conversie binară în zecimală
Luați în considerare un DAC pentru conversia numerelor binare-zecimale (Fig. 3.90).
Pentru a reprezenta fiecare cifră a unui număr zecimal, se utilizează o matrice separată R − 2R (notată prin dreptunghiuri). Z 0 …Z 3 indică numerele determinate de starea cheilor fiecărei matrice R − 2R. Principiul de funcționare devine clar dacă ținem cont de faptul că rezistența fiecărei matrice R și dacă analizăm fragmentul circuitului prezentat în Fig. 3,91. 
Din analiză rezultă că
U 2 = U 1 [ (R||9R) / (8.1R + R||9R) ]
R||9R = (R9R)/(R + 9R) = 0,9R
Prin urmare, U 2 \u003d 0,1 U 1. Având în vedere acest lucru, obținem
u out \u003d - (U 0 R oc / 16R) 10 -3 (10 3 Z 3 + 10 2 Z 2 + 10 Z 1 + Z 0)
Cele mai comune sunt DAC-urile din seriile de microcircuite 572, 594, 1108, 1118 etc. 3.2 sunt date...
Parametrii unor DAC-uri
Convertor analog-digital(ADC, engleză Analog-to-digital converter, ADC) este un dispozitiv care convertește semnalul analogic de intrare într-un cod discret (semnal digital). Conversia inversă se realizează folosind un DAC (convertor digital-analogic, DAC).
De obicei, un ADC este un dispozitiv electronic care convertește tensiunea într-un cod digital binar. Cu toate acestea, unele dispozitive neelectronice cu ieșire digitală ar trebui, de asemenea, clasificate ca ADC, cum ar fi unele tipuri de convertoare cu cod unghi. Cel mai simplu ADC binar de un bit este un comparator.
Permisiune
Rezoluția ADC - modificarea minimă a mărimii unui semnal analogic care poate fi convertit de un anumit ADC - este legată de adâncimea sa de biți. În cazul unei singure măsurări fără a lua în considerare zgomotul, rezoluția este determinată direct de adâncimea de biți ADC.
Adâncimea de biți a ADC caracterizează numărul de valori discrete pe care convertorul le poate produce la ieșire. ADC-urile binare sunt măsurate în biți; ADC-urile ternare sunt măsurate în trits. De exemplu, un ADC binar pe 8 biți este capabil să scoată 256 de valori discrete (0 ... 255), deoarece un ADC ternar pe 8 biți este capabil să scoată 6561 de valori discrete, deoarece .
Rezoluția tensiunii este egală cu diferența dintre tensiunile corespunzătoare codului de ieșire maxim și minim, împărțită la numărul de valori discrete de ieșire. De exemplu:
Interval de intrare = 0 până la 10 volți
ADC binar cu adâncime de biți 12 biți: 212 = 4096 niveluri de cuantizare
Rezoluție binară a tensiunii ADC: (10-0)/4096 = 0,00244 volți = 2,44 mV
Adâncime de biți ADC ternar 12 trit: 312 = 531.441 nivel de cuantizare
Rezoluția tensiunii ADC ternar: (10-0)/531441 = 0,0188 mV = 18,8 µV
Interval de intrare = -10 până la +10 volți
ADC binar pe 14 biți: 214 = 16384 niveluri de cuantizare
Rezoluție binară a tensiunii ADC: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 volți = 1,22 mV
Adâncime de biți ADC ternar 14 trit: 314 = 4.782.969 niveluri de cuantizare
Rezoluția tensiunii ADC ternar: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 mV = 4,18 µV
În practică, rezoluția unui ADC este limitată de raportul semnal-zgomot al semnalului de intrare. Cu o intensitate mare a zgomotului la intrarea ADC, devine imposibil să distingem nivelurile adiacente ale semnalului de intrare, adică rezoluția se deteriorează. În acest caz, rezoluția efectiv realizabilă este descrisă de numărul efectiv de biți (ENOB), care este mai mic decât adâncimea reală de biți a ADC. La conversia unui semnal foarte zgomotos, biții inferiori ai codului de ieșire sunt practic inutili, deoarece conțin zgomot. Pentru a atinge adâncimea de biți declarată, raportul S/N al semnalului de intrare ar trebui să fie de aproximativ 6 dB pentru fiecare bit de adâncime de biți (6 dB corespunde unei schimbări de patru ori a nivelului semnalului).
Tipuri de conversie
Conform metodei algoritmilor aplicați, ADC-urile sunt împărțite în:
Forța brută secvențială
aproximare succesivă
Serial cu modulație sigma-delta
O singură etapă paralelă
Paralel în două sau mai multe trepte (conveior)
Caracteristica de transfer a ADC este dependența echivalentului numeric al codului binar de ieșire de valoarea semnalului analogic de intrare. Vorbiți despre ADC-uri liniare și neliniare. Această împărțire este condiționată. Ambele caracteristici de transfer sunt trepte. Dar pentru ADC-uri „liniare”, este întotdeauna posibil să se tragă o astfel de linie dreaptă încât toate punctele caracteristicii de transfer corespunzătoare valorilor de intrare delta * 2^k (unde delta este pasul de eșantionare, k se află în intervalul 0 ..N, unde N este lățimea biților ADC) sunt echidistante de ea.
Precizie
Există mai multe surse de eroare ADC. Erorile de cuantizare și (presupunând că ADC-ul trebuie să fie liniar) neliniaritățile sunt inerente în orice conversie analog-digitală. În plus, există așa-numitele erori de deschidere, care sunt rezultatul jitterului (jitter englezesc) al generatorului de ceas, ele apar la conversia semnalului în ansamblu (și nu doar un eșantion).
Aceste erori sunt măsurate în unități numite LSB - Least Significant Bit. În exemplul ADC binar pe 8 biți de mai sus, eroarea în 1 LSB este 1/256 din gama completă a semnalului, adică 0,4%, în ADC-ul ternar pe 5 trit, eroarea în 1 LSB este 1/243 din gama completă a semnalului, adică 0,412%, într-un ADC ternar cu 8 trit, eroarea în 1 MZR este 1/6561, adică 0,015%.
Tipuri ADC
Următoarele sunt principalele modalități de a construi ADC-uri electronice:
ADC de conversie directă:
ADC-urile cu conversie directă paralelă care sunt complet paralele cu ADC-urile conțin un comparator pentru fiecare nivel de semnal de intrare discret. În orice moment, numai comparatoarele care corespund nivelurilor sub nivelul semnalului de intrare produc un semnal în exces la ieșire. Semnalele de la toate comparatoarele sunt alimentate fie direct în registrul paralel, apoi procesarea codului este efectuată în software, fie la un encoder logic hardware care generează codul digital necesar în hardware, în funcție de codul de la intrarea codificatorului. Datele de la codificator sunt înregistrate într-un registru paralel. Rata de eșantionare a ADC-urilor paralele depinde în general de caracteristicile hardware ale elementelor analogice și logice, precum și de rata de eșantionare necesară.
ADC-urile de conversie directă paralelă sunt cele mai rapide, dar au de obicei o rezoluție de cel mult 8 biți, deoarece implică costuri hardware mari (comparatoare). ADC-urile de acest tip au o dimensiune foarte mare a cipului, o capacitate mare de intrare și pot produce erori de ieșire pe termen scurt. Adesea folosit pentru semnale video sau alte semnale de înaltă frecvență și utilizat pe scară largă în industrie pentru a monitoriza procesele care se schimbă rapid în timp real.
Operare prin conductă ADC, utilizată în ADC-uri paralele-seriale cu conversie directă, spre deosebire de funcționarea normală a ADC-urilor paralel-serial cu conversie directă, în care datele sunt transferate după conversia completă, în operarea prin conductă, datele de conversie parțială sunt transmise ca de îndată ce este gata înainte de sfârșitul conversiei complete.
Un ADC de aproximare succesivă, sau ADC de echilibrare pe biți, conține un comparator, un DAC auxiliar și un registru de aproximare succesiv. ADC-ul convertește semnalul analogic în digital în N pași, unde N este adâncimea de biți ADC. La fiecare pas, se determină un bit din valoarea digitală dorită, începând de la SZR și terminând cu LZR. Secvența de acțiuni pentru a determina următorul bit este următoarea. DAC-ul auxiliar este setat la o valoare analogică formată din biții deja definiți în pașii anteriori; bitul care trebuie determinat în acest pas este setat la 1, biții cei mai puțin semnificativi sunt setați la 0. Valoarea primită la DAC-ul auxiliar este comparată cu valoarea analogică de intrare. Dacă valoarea semnalului de intrare este mai mare decât valoarea de pe DAC auxiliar, atunci bitul determinat este setat la 1, în caz contrar 0. Astfel, determinarea valorii digitale finale seamănă cu o căutare binară. ADC-urile de acest tip au atât viteză mare, cât și rezoluție bună. Cu toate acestea, în absența unui dispozitiv de eșantionare de stocare, eroarea va fi mult mai mare (imaginați-vă că după ce a fost digitizat cel mai mare bit, semnalul a început să se schimbe).
ADC-urile de codare diferențială (ADC cu codificare delta în engleză) conțin un contor invers, al cărui cod este alimentat DAC-ului auxiliar. Semnalul de intrare și semnalul de la DAC-ul auxiliar sunt comparați pe comparator. Datorită feedback-ului negativ de la comparator la contor, codul de pe contor se schimbă constant, astfel încât semnalul de la DAC auxiliar să difere cât mai puțin de semnalul de intrare. După ceva timp, diferența de semnal devine mai mică decât LSM, în timp ce codul contor este citit ca semnal digital de ieșire al ADC. ADC-urile de acest tip au o gamă de semnal de intrare foarte mare și o rezoluție mare, dar timpul de conversie depinde de semnalul de intrare, deși este limitat de sus. În cel mai rău caz, timpul de conversie este Tmax=(2q)/fс, unde q este adâncimea de biți ADC, fс este frecvența generatorului de ceas contor. ADC-urile de codificare diferențială sunt de obicei o alegere bună pentru digitizarea semnalelor din lumea reală, deoarece majoritatea semnalelor din sistemele fizice nu sunt predispuse la salt. Unele ADC-uri folosesc o abordare combinată: codificare diferențială și aproximare succesivă; acest lucru funcționează deosebit de bine în cazurile în care componentele de înaltă frecvență din semnal sunt cunoscute a fi relativ mici.
ADC-urile de comparație cu dinți de ferăstrău (unele ADC-uri de acest tip sunt numite ADC-uri integratoare, includ și ADC-uri de numărare în serie) conțin un generator de tensiune dinți de ferăstrău (într-un ADC de numărare în serie, un generator de tensiune în trepte format dintr-un contor și DAC), un comparator și un contor de timp . Forma de undă din dinte de ferăstrău crește liniar de la scăzut la ridicat, apoi scade rapid la scăzut. În momentul începerii creșterii, contorul de timp este pornit. Când semnalul dinți de ferăstrău atinge nivelul semnalului de intrare, comparatorul declanșează și oprește contorul; valoarea este citită de la contor și alimentată la ieșirea ADC. Acest tip de ADC este cel mai simplu ca structură și conține numărul minim de elemente. În același timp, cele mai simple ADC-uri de acest tip au o precizie destul de scăzută și sunt sensibile la temperatură și la alți parametri externi. Pentru a crește acuratețea, generatorul din dinți de ferăstrău poate fi construit în jurul unui contor și a unui DAC auxiliar, dar această structură nu are alte avantaje față de ADC-urile de aproximare succesivă și de codificare diferențială.
ADC-urile cu echilibrare de încărcare (acestea includ ADC-uri cu integrare în două etape, ADC-uri cu integrare în mai multe etape și altele) conțin un generator de curent stabil, un comparator, un integrator de curent, un generator de ceas și un contor de impulsuri. Transformarea are loc în două etape (integrare în două etape). În prima etapă, valoarea tensiunii de intrare este convertită într-un curent (proporțional cu tensiunea de intrare), care este alimentat la integratorul de curent, a cărui sarcină este inițial zero. Acest proces durează timp TN, unde T este perioada generatorului de ceas, N este o constantă (întreg mare, determină timpul de acumulare a sarcinii). După acest timp, intrarea integratorului este deconectată de la intrarea ADC și conectată la un generator de curent stabil. Polaritatea generatorului este de așa natură încât reduce sarcina stocată în integrator. Procesul de descărcare durează până când sarcina din integrator scade la zero. Timpul de descărcare este măsurat prin numărarea impulsurilor de ceas din momentul în care începe descărcarea până când integratorul ajunge la zero. Numărul numărat de impulsuri de ceas va fi codul de ieșire al ADC. Se poate demonstra că numărul de impulsuri n numărate în timpul de descărcare este egal cu: n=UinN(RI0)−1, unde Uin este tensiunea de intrare a ADC, N este numărul de impulsuri ale etapei de acumulare (definită). mai sus), R este rezistența rezistorului care transformă tensiunea de intrare în curent, I0 este valoarea curentului de la generatorul de curent stabil, care descarcă integratorul în a doua etapă. Astfel, parametrii potențial instabili ai sistemului (în primul rând, capacitatea condensatorului integrator) nu sunt incluși în expresia finală. Aceasta este o consecință a procesului în două etape: erorile introduse în prima și a doua etapă se scad reciproc. Nu există cerințe stricte chiar și pentru stabilitatea pe termen lung a generatorului de ceas și a tensiunii de polarizare a comparatorului: acești parametri trebuie să fie stabili doar pentru o perioadă scurtă de timp, adică în timpul fiecărei conversii (nu mai mult de 2TN). De fapt, principiul integrării în două etape vă permite să convertiți direct raportul dintre două valori analogice (curent de intrare și de referință) în raportul codurilor numerice (n și N în termenii definiți mai sus) cu erori suplimentare mici sau deloc . Lățimea tipică de biți a acestui tip de ADC este de 10 până la 18 biți. Un avantaj suplimentar este capacitatea de a construi convertoare care sunt insensibile la interferența periodică (de exemplu, interferența de la rețeaua de alimentare) datorită integrării precise a semnalului de intrare pe un interval de timp fix. Dezavantajul acestui tip de ADC este rata de conversie scăzută. ADC-urile cu echilibrare a sarcinii sunt utilizate în instrumentele de măsurare de înaltă precizie.
ADC cu conversie intermediară la rată de repetiție a pulsului. Semnalul de la senzor trece prin convertorul de nivel și apoi prin convertorul tensiune-frecvență. Astfel, un semnal ajunge direct la intrarea circuitului logic, a cărui caracteristică este doar frecvența pulsului. Contorul logic acceptă aceste impulsuri ca intrare în timpul timpului de eșantionare, oferind astfel o combinație de coduri până la sfârșitul acestuia, numeric egală cu numărul de impulsuri care au venit la convertor în timpul timpului de eșantionare. Astfel de ADC-uri sunt destul de lente și nu foarte precise, dar totuși foarte simplu de implementat și, prin urmare, au un cost scăzut.
ADC-urile Sigma-Delta (numite și ADC-urile Delta-Sigma) efectuează o conversie analog-digitală de multe ori rata de eșantionare necesară și, prin filtrare, lasă doar banda spectrală dorită în semnal.
ADC-urile non-electronice sunt de obicei construite pe aceleași principii.
ADC-uri comerciale
De regulă, acestea sunt emise sub formă de microcircuite.
Pentru majoritatea ADC-urilor, adâncimea de biți este de la 6 la 24 de biți, rata de eșantionare este de până la 1 MHz. ADC-urile Mega și GHz sunt de asemenea disponibile (februarie 2002). ADC-urile Megahertz sunt necesare în camerele video digitale, dispozitivele de captură video și tunerele TV digitale pentru a digitiza semnalul video compozit. ADC-urile comerciale au de obicei o eroare de ieșire de ±0,5 până la ±1,5 LSM.
Unul dintre factorii care cresc costul microcircuitelor este numărul de pini, deoarece forțează ca pachetul de cip să fie mai mare, iar fiecare pin trebuie să fie conectat la un cip. Pentru a reduce numărul de pini, adesea ADC-urile care funcționează la rate scăzute de eșantionare au o interfață serială. Utilizarea unui ADC cu o interfață serială vă permite adesea să creșteți densitatea de montare și să creați o placă cu o suprafață mai mică.
Adesea, cipurile ADC au mai multe intrări analogice conectate intern la un singur ADC printr-un multiplexor analogic. Diverse modele de ADC-uri pot include dispozitive de reținere a probei, amplificatoare de instrumentație sau o intrare diferențială de înaltă tensiune și alte astfel de circuite.
Alte utilizări
Conversia A/D este utilizată oriunde un semnal analogic trebuie să fie recepționat și procesat digital.
ADC-urile video speciale sunt utilizate în tunerele TV computerizate, plăcile de intrare video, camerele video pentru digitizarea semnalului video. Intrările audio pentru microfon și linie ale computerelor sunt conectate la un ADC audio.
ADC-urile sunt parte integrantă a sistemelor de achiziție de date.
ADC-urile SAR cu o capacitate de 8-12 biți și ADC-urile sigma-delta cu o capacitate de 16-24 de biți sunt încorporate în microcontrolere cu un singur cip.
Sunt necesare ADC-uri foarte rapide în osciloscoapele digitale (se folosesc ADC-uri paralele și canalizate)
Cântarele moderne folosesc ADC-uri cu o capacitate de până la 24 de biți, care convertesc semnalul direct de la extensometrul (ADC sigma-delta).
ADC-urile fac parte din modemurile radio și alte dispozitive radio de date, unde sunt utilizate împreună cu un procesor DSP ca demodulator.
ADC-urile ultra-rapide sunt utilizate în sistemele de antene ale stațiilor de bază (în așa-numitele antene SMART) și în rețele de antene radar.
Convertor D/A (DAC) - un dispozitiv pentru conversia unui cod digital (de obicei binar) într-un semnal analogic (curent, tensiune sau încărcare). Convertoarele D/A sunt interfața dintre lumea digitală discretă și semnalele analogice.
Un convertor analog-digital (ADC) efectuează operația inversă.
Un DAC audio primește de obicei un semnal digital în modulație de cod de impuls (PCM, modulație de cod de impuls) ca intrare. Sarcina de a converti diferite formate comprimate în PCM este realizată de codecurile respective.
Aplicație
DAC-ul este utilizat ori de câte ori este necesar să se convertească un semnal dintr-o reprezentare digitală într-una analogică, de exemplu, în CD playere (CD audio).
Tipuri DAC
Cele mai comune tipuri de DAC-uri electronice sunt:
Modulatorul de lățime a impulsului este cel mai simplu tip de DAC. O sursă stabilă de curent sau tensiune este pornită periodic pentru un timp proporțional cu codul digital convertit, apoi secvența de impulsuri rezultată este filtrată de un filtru analog trece-jos. Această metodă este adesea folosită pentru a controla viteza motoarelor electrice și devine, de asemenea, populară în tehnologia audio hi-fi;
DAC-urile de supraeșantionare, cum ar fi DAC-urile delta-sigma, se bazează pe densitatea variabilă a pulsului. Supraeșantionarea vă permite să utilizați un DAC cu o adâncime de biți mai mică pentru a obține o adâncime de biți mai mare a conversiei finale; adesea un DAC delta-sigma este construit în jurul celui mai simplu DAC pe un bit care este aproape liniar. Un DAC pe biți mici primește un semnal pulsat cu o densitate a impulsului modulată (cu o durată constantă a impulsului, dar cu un ciclu de lucru variabil), creat folosind feedback negativ. Feedback-ul negativ acționează ca un filtru trece-înalt pentru zgomotul de cuantizare.
Majoritatea DAC-urilor mari (mai mult de 16 biți) sunt construite pe acest principiu datorită liniarității sale ridicate și costului scăzut. Viteza DAC-ului delta-sigma atinge sute de mii de mostre pe secundă, adâncimea de biți este de până la 24 de biți. Pentru a genera un semnal cu o densitate a impulsului modulată, se poate folosi un modulator delta-sigma simplu de ordinul întâi sau de ordin superior ca MASH (English Multi stage noise SHAping). Pe măsură ce frecvența de supraeșantionare crește, cerințele pentru filtrul trece-jos de ieșire sunt relaxate și suprimarea zgomotului de cuantizare este îmbunătățită;
Un DAC de tip cântărire, în care fiecare bit al codului binar convertit corespunde unui rezistor sau unei surse de curent conectate la un punct de însumare comun. Puterea de curent a sursei (conductanța rezistorului) este proporțională cu greutatea bitului căruia îi corespunde. Astfel, toți biții non-zero ai codului sunt adăugați la greutate. Metoda de ponderare este una dintre cele mai rapide, dar are o precizie scăzută datorită necesității unui set de multe surse de precizie sau rezistențe diferite și o impedanță variabilă. Din acest motiv, DAC-urile de ponderare sunt limitate la opt biți;
DAC tip scară (circuit R-2R în lanț). În DAC-ul R-2R, valorile sunt create într-un circuit special format din rezistențe cu rezistențe R și 2R, numită matrice de impedanță constantă, care are două tipuri de conexiune: matrice de curent continuu și matrice de tensiune inversă. Utilizarea acelorași rezistențe poate îmbunătăți semnificativ acuratețea în comparație cu un DAC de ponderare convențional, deoarece este relativ ușor să fabricați un set de elemente de precizie cu aceiași parametri. DAC tip R-2R vă permite să depășiți limitele capacității de biți. Cu rezistențele tăiate cu laser pe un singur substrat, se obține o precizie de 20-22 de biți. Majoritatea timpului de conversie este petrecut în amplificatorul operațional, așa că trebuie să aibă performanțe maxime. Viteza unității DAC de microsecunde și mai jos (adică nanosecunde);
CaracteristiciDAC-urile sunt situate la începutul căii analogice a oricărui sistem, astfel încât parametrii DAC-ului determină în mare măsură parametrii întregului sistem în ansamblu. Cele mai importante caracteristici ale DAC sunt enumerate mai jos.
Adâncimea de biți - numărul de niveluri diferite ale semnalului de ieșire pe care DAC-ul le poate reproduce. De obicei dat în biți; numărul de biți este logaritmul de bază 2 al numărului de niveluri. De exemplu, un DAC pe un bit poate reproduce două () niveluri, iar un DAC pe opt biți poate reproduce 256 () niveluri. Adâncimea de biți este strâns legată de adâncimea efectivă de biți (ENOB, Număr efectiv de biți), care arată rezoluția reală care poate fi atinsă pe un DAC dat.
Rata maximă de eșantionare este frecvența maximă la care poate funcționa DAC-ul, dând rezultatul corect la ieșire. În conformitate cu teorema Nyquist-Shannon (cunoscută și ca teorema Kotelnikov), pentru reproducerea corectă a unui semnal analogic dintr-o formă digitală, este necesar ca frecvența de eșantionare să fie de cel puțin două ori frecvența maximă din spectrul semnalului. De exemplu, pentru a reproduce întreaga gamă de frecvență audio audibilă umană, al cărei spectru se extinde până la 20 kHz, este necesar ca semnalul audio să fie eșantionat la o frecvență de cel puțin 40 kHz. Standardul Audio CD specifică o frecvență de eșantionare audio de 44,1 kHz; pentru a reproduce acest semnal, veți avea nevoie de un DAC capabil să funcționeze la această frecvență. În plăcile de sunet ieftine pentru computer, rata de eșantionare este de 48 kHz. Semnalele eșantionate la alte frecvențe sunt supraeșantionate până la 48 kHz, ceea ce degradează parțial calitatea semnalului.
Monotonitatea este proprietatea DAC-ului de a crește semnalul de ieșire analogic pe măsură ce codul de intrare crește.
THD+N (Total Harmonic Distortion + Noise) este o măsură a distorsiunii și a zgomotului introduse într-un semnal de un DAC. Exprimat ca procent de putere armonică și zgomot în semnalul de ieșire. Un parametru important pentru aplicațiile DAC cu semnal mic.
Intervalul dinamic este raportul dintre cele mai mari și cele mai mici semnale pe care le poate reproduce un DAC, exprimat în decibeli. Acest parametru este legat de adâncimea de biți și de pragul de zgomot.
Caracteristici statice:
DNL (diferenţial non-linearity) - caracterizează cât de mult diferă incrementul semnalului analogic obţinut prin creşterea codului cu 1 bit cel mai puţin semnificativ (LSD) de valoarea corectă;
INL (integral non-linearity) - caracterizează modul în care caracteristica de transfer a DAC-ului diferă de cea ideală. Caracteristica ideală este strict liniară; INL arată cât de mult se abate tensiunea la ieșirea DAC pentru un anumit cod de la caracteristica liniară; exprimat în MZR;
câştig;
părtinire.
Caracteristici de frecventa:
SNDR (rapport semnal-zgomot + distorsiune) - caracterizează în decibeli raportul dintre puterea semnalului de ieșire și puterea totală a zgomotului și distorsiunea armonică;
HDi (raportul i-a armonic) caracterizează raportul dintre armonica i-a și armonica principală;
THD (distorsiune armonică) - raportul dintre puterea totală a tuturor armonicilor (cu excepția primei) și puterea primei armonici
Un convertor digital-analogic (DAC) este un dispozitiv pentru conversia unui cod digital într-un semnal analog într-o cantitate proporțională cu valoarea codului.
DAC-urile sunt folosite pentru a comunica sistemele de control digital cu dispozitive care sunt controlate de nivelul semnalului analogic. De asemenea, DAC-ul este o parte integrantă în multe structuri ale dispozitivelor și convertoarelor analog-digital.
DAC-ul este caracterizat de o funcție de conversie. Asociază o modificare a unui cod digital cu o modificare a tensiunii sau curentului. Funcția de conversie DAC este exprimată după cum urmează
ieși- valoarea tensiunii de iesire corespunzatoare codului digital N în aplicate intrărilor DAC.
U max- tensiunea maximă de ieșire corespunzătoare alimentării codului maxim la intrări N max
valoarea K lingura, determinat de raportul , se numește factor de conversie digital-analogic. În ciuda formei în trepte a caracteristicii asociate cu o modificare discretă a valorii de intrare (cod digital), se crede că DAC-urile sunt convertoare liniare.
Dacă valoarea N în reprezintă prin valorile greutăților cifrelor sale, funcția de transformare poate fi exprimată după cum urmează
, Unde
i- numărul cifrei codului de intrare N în; A i- sens i a-a cifră (zero sau unu); U i - greutate i-a categoriei; n este numărul de biți ai codului de intrare (numărul de biți ai DAC-ului).
Greutatea cifrelor este determinată pentru o anumită adâncime de biți și este calculată folosind următoarea formulă
U OP - tensiunea de referință a DAC
Principiul de funcționare al majorității DAC-urilor este însumarea proporțiilor semnalelor analogice (greutatea biților), în funcție de codul de intrare.
Un DAC poate fi implementat prin însumarea curenților, însumarea tensiunilor și împărțirea tensiunilor. În primul și al doilea caz, în conformitate cu valorile biților codului de intrare, semnalele generatoarelor de curent și surselor E.D.S. Ultima metodă este un divizor de tensiune controlat de cod. Ultimele două metode nu sunt utilizate pe scară largă din cauza dificultăților practice ale implementării lor.
Modalități de implementare a unui DAC cu suma curentă ponderată
Luați în considerare construcția celui mai simplu DAC cu însumarea ponderată a curenților.
Acest DAC constă dintr-un set de rezistențe și un set de comutatoare. Numărul de chei și numărul de rezistențe este egal cu numărul de biți n cod de introducere. Valorile rezistoarelor sunt alese conform legii binare. Dacă R=3 ohmi, atunci 2R= 6 ohmi, 4R=12 ohmi și așa mai departe, adică. fiecare rezistor ulterior este de 2 ori mai mare decât cel precedent. Când o sursă de tensiune este conectată și cheile sunt închise, curentul va curge prin fiecare rezistor. Valorile curenților prin rezistențe, datorită alegerii corespunzătoare a calificărilor acestora, vor fi, de asemenea, distribuite conform legii binare. La introducerea codului N în tastele sunt pornite în funcție de valoarea biților de cod de intrare corespunzători acestora. Cheia este închisă dacă bitul corespunzător este egal cu unu. În acest caz, curenții proporționali cu greutățile acestor biți sunt însumați în nod, iar valoarea curentului care curge din nod în ansamblu va fi proporțională cu valoarea codului de intrare. N în.
Rezistența rezistențelor matriceale este aleasă destul de mare (zeci de kΩ). Prin urmare, pentru majoritatea cazurilor practice, DAC-ul joacă rolul unei surse de curent pentru sarcină. Dacă este necesar să se obțină tensiune la ieșirea convertorului, atunci la ieșirea unui astfel de DAC este instalat un convertor curent-tensiune, de exemplu, pe un amplificator operațional.
Cu toate acestea, atunci când se schimbă codul la intrările DAC, cantitatea de curent preluată de la sursa de tensiune de referință se modifică. Acesta este principalul dezavantaj al acestei metode de construire a unui DAC. . Această metodă de construcție poate fi utilizată numai dacă sursa de tensiune de referință este cu rezistență internă scăzută. Într-un alt caz, în momentul modificării codului de intrare, curentul preluat de la sursă se modifică, ceea ce duce la o modificare a căderii de tensiune pe rezistența sa internă și, la rândul său, la o modificare suplimentară a curentului de ieșire care nu are legătură directă. la schimbarea codului. Acest neajuns poate fi eliminat prin structura DAC-ului cu taste de comutare.
Această structură are două noduri de ieșire. În funcție de valoarea biților codului de intrare, cheile corespunzătoare acestora sunt conectate la nodul asociat cu ieșirea dispozitivului, sau la un alt nod, care este cel mai adesea împământat. În acest caz, curentul curge constant prin fiecare rezistor al matricei, indiferent de poziția cheii, iar cantitatea de curent consumată de la sursa de tensiune de referință este constantă.
Un dezavantaj comun al ambelor structuri considerate este raportul mare dintre cea mai mică și cea mai mare valoare a rezistențelor matriceale. În același timp, în ciuda diferenței mari de valori ale rezistențelor, este necesar să se asigure aceeași precizie absolută de montare atât a celui mai mare, cât și a celui mai mic rezistor din punct de vedere al valorii. În versiunea integrată a DAC-ului, cu un număr de biți mai mare de 10, acest lucru este destul de greu de asigurat.
Dintre toate dezavantajele de mai sus, structurile bazate pe rezistiv R-2R matrici
Cu o astfel de construcție a unei matrice rezistive, curentul în fiecare ramură paralelă ulterioară este mai mic decât în cea anterioară la jumătate. Prezența a doar două valori ale rezistoarelor în matrice face să fie destul de ușoară ajustarea valorilor acestora.
Curentul de ieșire pentru fiecare dintre structurile prezentate este simultan proporțional nu numai cu valoarea codului de intrare, ci și cu valoarea tensiunii de referință. Se spune adesea că este proporțională cu produsul acestor două mărimi. Prin urmare, astfel de DAC-uri se numesc multiplicare. Toate vor avea aceste proprietăți. DAC,în care formarea valorilor ponderate ale curenților corespunzătoare greutăților descărcărilor se realizează folosind matrici rezistive.
Pe lângă faptul că sunt utilizate în scopul propus, DAC-urile multiplicatoare sunt folosite ca multiplicatori analog-digitali, ca rezistențe și conductanțe controlate de cod. Ele sunt utilizate pe scară largă ca componente în construcția amplificatoarelor controlate prin cod (reglabile), a filtrelor, a surselor de tensiune de referință, a condiționărilor de semnal etc.
Parametrii de bază și erorile DAC
Principalii parametri care pot fi văzuți în director:
1. Număr de cifre - numărul de cifre ale codului de intrare.
2. Factor de conversie - raportul dintre incrementul semnalului de ieșire și incrementul semnalului de intrare pentru o funcție de transformare liniară.
3. Timpul de stabilire a tensiunii sau curentului de ieșire - intervalul de timp de la momentul modificării codului specificat la intrarea DAC până la momentul în care tensiunea sau curentul de ieșire intră în cele din urmă în zona cu lățimea bitului cel mai puțin semnificativ ( MZR).
4. Frecvența maximă de conversie - cea mai mare frecvență de schimbare a codului, la care parametrii specificați respectă standardele stabilite.
Există și alți parametri care caracterizează performanța DAC-ului și caracteristicile funcționării acestuia. Acestea includ: tensiunea de intrare de nivel scăzut și înalt, consumul de curent, tensiunea de ieșire sau domeniul de curent.
Cei mai importanți parametri pentru un DAC sunt cei care îi determină caracteristicile de precizie.
Caracteristicile de precizie ale fiecărui DAC , În primul rând, ele sunt determinate de erori normalizate ca mărime.
Erorile sunt împărțite în dinamice și statice. Erorile statice sunt erorile rămase după finalizarea tuturor tranzitorii asociate cu schimbarea codului de intrare. Erorile dinamice sunt determinate de procese tranzitorii la ieșirea DAC, care au apărut ca urmare a modificării codului de intrare.
Principalele tipuri de erori statice DAC:
Eroarea absolută de conversie la punctul final al scalei este abaterea valorii tensiunii de ieșire (curent) de la valoarea nominală corespunzătoare punctului final al scalei funcției de conversie. Măsurat în unitățile celei mai puțin semnificative cifre a conversiei.
Tensiune de compensare zero la ieșire – tensiune DC la ieșirea DAC la codul de intrare corespunzător valorii zero a tensiunii de ieșire. Se măsoară în unitățile celei mai puțin semnificative cifre. Eroarea coeficientului de transformare (scalată) - legată de abaterea pantei funcției de transformare de la cea cerută.
Neliniaritatea DAC este abaterea funcției de conversie efectivă de la linia dreaptă convenită. Este cea mai gravă eroare cu care este greu de tratat.
Erorile de neliniaritate sunt în general împărțite în două tipuri - integrale și diferențiale.
Eroarea neliniarității integrale este abaterea maximă a caracteristicii reale de la cea ideală. De fapt, funcția de transformare medie este considerată în acest caz. Determinați această eroare ca procent din intervalul final al valorii de ieșire.
Neliniaritatea diferențială este asociată cu inexactitatea stabilirii greutăților cifrelor, adică cu erori ale elementelor de divizare, răspândire a parametrilor reziduali ai elementelor cheie, generatoare de curent etc.
Metode de identificare și corectare a erorilor DAC
Este de dorit ca corectarea erorilor să fie efectuată în timpul fabricării traductoarelor (ajustare tehnologică). Cu toate acestea, este adesea de dorit atunci când se utilizează un eșantion specific. BISîntr-un dispozitiv sau altul. În acest caz, corectarea se realizează prin introducerea în structura dispozitivului, pe lângă BIS DAC elemente suplimentare. Astfel de metode se numesc structurale.
Cel mai dificil proces este asigurarea liniarității, deoarece acestea sunt determinate de parametrii asociați ai multor elemente și noduri. Cel mai adesea, doar coeficientul zero offset
Parametrii de acuratețe furnizați de metodele tehnologice se deteriorează atunci când convertorul este expus la diverși factori destabilizatori, în primul rând temperatura. De asemenea, este necesar să ne amintim despre factorul de îmbătrânire a elementului.
Eroarea de compensare zero și eroarea de scalare sunt corectate cu ușurință la ieșirea DAC. Pentru a face acest lucru, se introduce un offset constant în semnalul de ieșire, care compensează decalajul caracteristicii traductorului. Scala de conversie necesară este setată fie prin ajustarea câștigului setat la ieșirea convertorului amplificatorului, fie prin ajustarea valorii tensiunii de referință dacă DAC-ul este unul multiplicator.
Metodele de corectare cu control de testare constau în identificarea erorilor DAC pe întregul set de influențe admisibile de intrare și adăugarea corecțiilor calculate pe baza acesteia la valoarea de intrare sau de ieșire pentru a compensa aceste erori.
Cu orice metodă de corecție cu control printr-un semnal de testare, sunt prevăzute următoarele acțiuni:
1. Măsurarea caracteristicilor DAC pe un set de acțiuni de testare suficiente pentru a identifica erorile.
2. Identificarea erorilor prin calcularea abaterilor acestora de la rezultatele măsurătorilor.
3. Calculul modificărilor corective pentru valorile convertite sau acțiunile corective necesare asupra blocurilor corectate.
4. Corectare.
Controlul poate fi efectuat o singură dată înainte de instalarea convertorului în dispozitiv folosind echipamente speciale de măsurare de laborator. De asemenea, poate fi efectuată folosind echipamente specializate încorporate în dispozitiv. În acest caz, controlul, de regulă, se efectuează periodic, tot timpul până când convertorul este direct implicat în funcționarea dispozitivului. O astfel de organizare a controlului și corecției traductoarelor poate fi efectuată în timpul funcționării sale ca parte a unui sistem de măsurare cu microprocesor.
Principalul dezavantaj al oricărei metode de control end-to-end este timpul lung de control împreună cu eterogenitatea și cantitatea mare de echipamente utilizate.
Valorile de corecție determinate într-un fel sau altul sunt stocate, de regulă, în formă digitală. Corectarea erorilor, ținând cont de aceste corecții, poate fi efectuată atât în formă analogică, cât și digitală.
Cu corecția digitală, corecțiile sunt adăugate, ținând cont de semnul lor, la codul de intrare al DAC. Ca rezultat, la intrarea DAC ajunge un cod, la care se formează la ieșire valoarea necesară a tensiunii sau a curentului. Cea mai simplă implementare a acestei metode de corectare constă într-un corectabil DAC, la intrarea căreia este instalat un dispozitiv de stocare digitală ( memorie). Codul de intrare joacă rolul unui cod de adresă. ÎN memorie la adresele corespunzătoare, precalculate, ținând cont de corecții, se introduc valorile codurilor furnizate DAC-ului corectat.
Cu corecția analogică, pe lângă DAC-ul principal, este utilizat un alt DAC suplimentar. Intervalul semnalului său de ieșire corespunde erorii maxime a DAC-ului corectat. Codul de intrare este introdus simultan la intrările DAC-ului corectat și la intrările adresei memorie amendamente. Din memorie corecții, se selectează corecția corespunzătoare valorii date a codului de intrare. Codul de corecție este convertit într-un semnal proporțional cu acesta, care este adăugat la semnalul de ieșire al DAC-ului corectat. Datorită dimensiunii reduse a domeniului necesar al semnalului de ieșire al DAC-ului suplimentar în comparație cu domeniul semnalului de ieșire al DAC-ului corectat, erorile intrinseci ale primului sunt neglijate.
În unele cazuri, devine necesară corectarea dinamicii DAC.
Răspunsul tranzitoriu al DAC-ului la schimbarea diferitelor combinații de coduri va fi diferit, cu alte cuvinte, timpul de stabilire a semnalului de ieșire va fi diferit. Prin urmare, atunci când se folosește un DAC, trebuie luat în considerare timpul maxim de așezare. Cu toate acestea, în unele cazuri este posibil să se corecteze comportamentul caracteristicii de transfer.
Caracteristici ale utilizării LSI DAC
Pentru aplicarea cu succes a modernului BIS DAC nu este suficient pentru a cunoaște lista principalelor caracteristici ale acestora și principalele scheme de includere a acestora.
Impact semnificativ asupra rezultatelor aplicației BIS DAC-ul oferă cerințe de performanță datorită caracteristicilor unui anumit microcircuit. Astfel de cerințe includ nu numai utilizarea semnalelor de intrare valide, tensiunile de alimentare, capacitatea de sarcină și rezistența, ci și punerea în aplicare a ordinii de pornire a diferitelor surse de alimentare, separarea circuitelor de conectare ale diferitelor surse de alimentare și o magistrală comună, utilizarea filtrelor etc.
Pentru DAC-uri de precizie, tensiunea de ieșire a zgomotului este de o importanță deosebită. O caracteristică a problemei de zgomot în DAC este prezența vârfurilor de tensiune la ieșire cauzate de comutarea cheilor din interiorul convertorului. În amplitudine, aceste explozii pot atinge câteva zeci de greutăți. MZRși creează dificultăți în funcționarea dispozitivelor de procesare a semnalului analogic după DAC. Soluția la problema suprimării unor astfel de explozii este utilizarea dispozitivelor de eșantionare și menținere la ieșirea DAC ( UVH). UVH controlat din partea digitală a sistemului, care generează noi combinații de coduri la intrarea DAC. Înainte de a trimite o nouă combinație de coduri UVH este pus în modul de stocare, deschizând circuitul de transmisie a semnalului analogic la ieșire. Din acest motiv, vârful tensiunii de ieșire a DAC-ului nu cade pe ieșire. UVH, care este apoi pus în modul de urmărire, repetând semnalul de ieșire al DAC.
O atenție deosebită la construirea unui DAC bazat pe BIS este necesar să se acorde atenție alegerii amplificatorului operațional care servește la transformarea curentului de ieșire al DAC-ului în tensiune. Când se aplică codul de intrare la DAC la ieșire OU eroarea va funcționa DU, datorită tensiunii de polarizare și egală cu
,
Unde U cm– tensiune de polarizare OU; R os- valoarea rezistenţei în circuitul de feedback OU; R m este rezistența matricei rezistive a DAC (rezistența de ieșire a DAC), care depinde de valoarea codului aplicat la intrarea acestuia.
Deoarece raportul se modifică de la 1 la 0, eroarea datorată U cm, schimbări în culoar (1...2)U cm. Influență U cm neglijat la utilizare OU, care .
Datorită suprafeței mari a comutatoarelor tranzistorului CMOS BIS capacitate semnificativă de ieșire a DAC-ului LSI (40...120 pF în funcție de valoarea codului de intrare). Această capacitate are un efect semnificativ asupra timpului de stabilire a tensiunii de ieșire. OU la precizia cerută. Pentru a reduce această influență R os manevrat de un condensator Cu viespi.
În unele cazuri, este necesar să se obțină o tensiune de ieșire bipolară la ieșirea DAC. Acest lucru poate fi realizat prin introducerea unei polarizări în domeniul tensiunii de ieșire la ieșire și pentru multiplicarea DAC-urilor prin comutarea polarității sursei de tensiune de referință.
Vă rugăm să rețineți că, dacă utilizați un DAC integrat , având un număr de biți mai mare decât aveți nevoie, atunci intrările de biți neutilizați sunt conectate la magistrala de masă, determinând fără ambiguitate nivelul zero logic al acestora. Mai mult, pentru a lucra, dacă este posibil, cu o gamă largă a semnalului de ieșire LSI DAC, cifrele sunt luate pentru astfel de cifre, începând de la cel mai mic.
Unul dintre exemplele practice de utilizare a DAC-urilor este conditionatoarele de semnal de diferite forme. A făcut un model mic în proteus. Folosind DAC-ul unui MK controlat (Atmega8, deși se poate face pe Tiny), se formează semnale de diferite forme. Programul este scris în C în CVAVR. Prin apăsarea butonului, semnalul generat se modifică.
LSI DAC DAC0808 National Semiconductor, 8 biți, de mare viteză, inclus conform circuitului tipic. Deoarece ieșirea sa este curentă, este convertită în tensiune cu ajutorul unui amplificator inversor de pe amplificatorul operațional.
În principiu, poți avea chiar și cifre atât de interesante, ceva ce amintește de adevăr? Dacă alegi un pic de adâncime pentru mai mult, vei deveni mai fin
Bibliografie:
1. Bakhtiyarov G.D., Malinin V.V., Shkolin V.P. Convertoare analog-digitale / Ed. G.D.Bakhtiyarova - M.: Sov. radio. - 1980. - 278 p.: ill.
2. Proiectarea sistemelor cu microprocesoare analog-digitale de control și management.
3. O.V. Şişov. - Saransk: Editura Mordov. un-ta 1995. - p.
Puteți descărca proiectul de mai jos
