Cel mai simplu convertor digital-analogic (DAC) este un convertor pe un singur bit. Un simplu amplificator limitator poate servi ca atare DAC, care poate fi folosit ca. Tehnologia CMOS este deosebit de potrivită, deoarece în această tehnologie curenții de ieșire de unu și zero sunt egali. un astfel de convertor digital-analogic este prezentat în Figura 1.
Figura 1. Diagrama schematică a unui convertor digital-analogic (DAC) pe un singur bit
Un DAC pe un singur bit convertește semnul unui număr într-o formă analogică. Pentru conversia digital-analogic la o rată de eșantionare foarte mare, de multe ori mai mare decât frecvența Kotelnikov, un astfel de convertor este destul de suficient, cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, este necesar un număr mai mare de biți pentru digital-to-de înaltă calitate. conversie analogică. Se știe că un număr binar este descris prin următoarea formulă:
(1)Pentru a converti un cod binar digital în tensiune, puteți utiliza această formulă direct, adică utilizați un adunator analogic. Curenții vor fi reglați cu ajutorul rezistențelor. Dacă rezistențele diferă una de cealaltă de două ori, atunci și curenții vor respecta legea binară, așa cum se arată în formula (1). Dacă o unitate logică este prezentă la ieșirea registrului, atunci aceasta va fi convertită într-un curent corespunzător unei cifre binare folosind un rezistor. În acest caz, tensiunea va funcționa ca un convertor digital-analogic. Schema DAC care funcționează conform principiului descris este prezentată în Figura 2.
Figura 2. Diagrama schematică a unui convertor digital-analogic pe patru biți cu însumarea curenților de greutate
În circuitul prezentat în figura 2, potențialul celei de-a doua ieșiri este zero. Acest lucru este furnizat de feedback negativ paralel, care reduce impedanța de intrare a amplificatorului operațional. Coeficientul de transfer este selectat folosind un rezistor conectat de la ieșire la intrarea amplificatorului operațional. Dacă este necesar un câștig unitar, atunci această rezistență trebuie să fie egală cu rezistența paralelă a tuturor rezistențelor conectate la ieșirile registrului paralel. În dispozitivul descris, curentul de ordin inferior va fi de opt ori mai mic decât curentul de ordin înalt. Pentru a reduce influența curenților de intrare ai unui amplificator operațional real, un rezistor cu o rezistență egală cu conexiunea în paralel a tuturor celorlalte rezistențe este conectat între intrarea sa neinversabilă și firul comun.
Având în vedere că la ieșirea tuturor biților registrului există fie tensiune zero, fie egală cu tensiunea de alimentare, tensiunea la ieșirea amplificatorului operațional va funcționa în intervalul de la zero la minus tensiunea de alimentare. Acest lucru nu este întotdeauna convenabil. Dacă doriți ca dispozitivul să funcționeze de la o singură sursă de alimentare, atunci trebuie să îl schimbați puțin. Pentru a face acest lucru, aplicăm o tensiune egală cu jumătate din alimentarea intrării neinversoare a amplificatorului operațional. Poate fi obținut dintr-un divizor de tensiune rezistiv. Curentul zero și curentul unitar al treptei de ieșire a registrului din noul circuit trebuie să se potrivească. Apoi, la ieșirea amplificatorului operațional, tensiunea va varia în intervalul de la zero la tensiunea de alimentare. O diagramă a unui convertor digital-analogic cu o singură sursă este prezentată în Figura 3.
Figura 3. Convertor D/A cu sursă unică
În circuitul prezentat în figura 3, stabilitatea curentului și tensiunii de ieșire este asigurată de stabilitatea tensiunii de alimentare a registrului paralel. Cu toate acestea, de obicei, tensiunea de alimentare a circuitelor digitale este foarte zgomotoasă. Acest zgomot va fi prezent și în semnalul de ieșire. Într-un convertor digital-analogic pe mai mulți biți, acest lucru nu este de dorit, astfel încât cheile sale de ieșire sunt alimentate de un zgomot scăzut extrem de stabil. În prezent, astfel de microcircuite sunt produse de o serie de companii. Exemplele includ ADR4520 de la Analog Devices sau MAX6220_25 de la Maxim Integrated.
La fabricarea convertoarelor multi-biți digital-analogic, este necesar să se producă rezistențe cu precizie ridicată. Anterior, acest lucru a fost realizat prin rezistențe de tăiere cu laser. În prezent, nu rezistențele, ci generatoarele de curent bazate pe tranzistoare cu efect de câmp sunt de obicei folosite ca surse de curent. Utilizarea tranzistoarelor cu efect de câmp poate reduce semnificativ dimensiunea cipului DAC. În acest caz, pentru a crește curentul, tranzistoarele sunt conectate în paralel. Acest lucru face posibilă obținerea unei precizii ridicate a corespondenței curenților cu legea binară ( i 0 , 2i 0 , 4i 0 , 8i 0 etc.). Viteza mare de conversie este atinsă cu rezistență scăzută la sarcină. Schema convertorului de cod digital la curentul de ieșire, care funcționează conform principiului descris, este prezentată în Figura 4.
Figura 4. Circuitul intern al unui DAC cu însumarea curentului
Desigur, cheile electronice prezentate în Figura 4 sunt, de asemenea, tranzistori cu efect de câmp. Cu toate acestea, dacă le arătați pe diagramă, atunci puteți fi confuz unde este cheia și unde este generatorul de curent. Deoarece tranzistorul cu efect de câmp poate funcționa simultan ca generator de curent și cheie electronică, acestea sunt adesea combinate, iar legea binară este formată folosind, așa cum se arată în Figura 5.
Figura 5. Circuit intern DAC cu însumarea curenților identici
Un exemplu de circuit integrat care utilizează o soluție de sumă curentă este DAC-ul AD7945. În ea, însumarea curenților este folosită pentru a forma cei mai semnificativi biți. Pentru a lucra cu cifre de ordin redus, . Un amplificator operațional este de obicei folosit pentru a converti curentul de ieșire în tensiune, dar rata sa de slew are un impact semnificativ asupra vitezei convertorului digital-analogic în ansamblu. Prin urmare, un circuit DAC op-amp este utilizat numai în aplicații cu lățime de bandă mare, cum ar fi conversia semnalului audio sau de televiziune.
Figura 6. Convertor digital-analogic cod binar-tensiune
Literatură:
Împreună cu articolul „Convertoare digitale-analogice (DAC) cu însumarea curenților” au citit:
http://website/digital/R2R/
http://website/digital/sigmaadc.php
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 în 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, valoarea egală cu 1/2Uref este setată la ieșirea convertorului digital-analogic încorporat (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 poartă numele 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 tot parcursul ciclului 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 capacitate de doar 4 biți. Rata de conversie 100 MSPS, consum de energie 14 wați.
Următoarea figură prezintă o versiune avansată a ADC cu conversie directă.
Orez. 10. Conversie directă ADC (1970)
VHS-630 din 1970, produs 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. Dispozitive analogice, tutorial MT-020.
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:
- Modulator de lățime a impulsului- 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;
- Supraeșantionarea DAC, cum ar fi DAC-ul 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. DAC-ul de capacitate mică primește un semnal de impuls de la densitatea pulsului modulată(cu o lățime a impulsului constantă, dar cu un ciclu de lucru variabil), creat folosind feedback negativ. Feedback-ul negativ acționează ca un filtru trece-înalt pentru zgomotul de cuantizare.
- Tip de cântărire DAC, în care fiecare bit al codului binar convertit corespunde unui rezistor sau unei surse de curent conectat 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 se caracterizează printr-o precizie scăzută datorită necesității unui set de multe surse de precizie sau rezistențe diferite și o impedanță neconstantă. Din acest motiv, DAC-urile de ponderare sunt limitate la opt biți;
- Scara DAC(schema de lanț R-2R). În R-2R-DAC, valorile sunt create într-un circuit special format din rezistențe cu rezistențe RȘi 2R, numită matrice de impedanță constantă, care are două tipuri de incluziune: directă - matricea curenților și inversă - matricea tensiunilor. 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);
Caracteristici
DAC-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.
- Frecvența maximă de eșantionare- frecvența maximă la care poate funcționa DAC, 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.
- Monoton- proprietatea DAC-ului de a crește semnalul de ieșire analogic cu o creștere a codului de intrare.
- THD+N(distorsiune armonică totală + zgomot) - o măsură a distorsiunii și a zgomotului introduse în semnal de către DAC. Exprimat ca procent de putere armonică și zgomot în semnalul de ieșire. Un parametru important pentru aplicațiile DAC cu semnal mic.
- Interval dinamic- raportul dintre semnalele cele mai mari și cele mai mici pe care le poate reproduce DAC-ul, 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 (factor al armonicii i-a) - caracterizează raportul dintre armonica i-a și armonica principală;
- THD (factor de distorsiune armonică) - raportul dintre puterea totală a tuturor armonicilor (cu excepția primei) și puterea primei armonici.
Vezi si
Literatură
- Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivoj Nikolic. Circuite integrate digitale. Metodologie de proiectare = Circuite integrate digitale. - Ed. a II-a. - M .: Williams, 2007. - 912 p. - ISBN 0-13-090996-3
- Mingliang Liu. Demistificarea circuitelor condensatoare comutate. ISBN 0-75-067907-7.
- Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. Proiectare circuit analogic CMOS. ISBN 0-19-511644-5.
Legături
- Convertoare digital-analogic (DAC), teorie și principii de funcționare pe site-ul Piața de microelectronice
- Convertoare D/A pentru procesarea semnalului digital
- Măsurătorile INL/DNL pentru ADC-uri de mare viteză explică modul în care sunt calculate INL și DNL
- Alexei Stahov. Fibonacci Computer Part 1, Part 2, Part 3 // PCweek.ru, 2002
- R-2R Ladder DAC explicat conține scheme
| Microcontrolere | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Arhitectură |
| ||||
Convertor D/A(DAC) este un dispozitiv care convertește un semnal digital de intrare (cod) într-unul analog.
DAC este utilizat pe scară largă acolo unde este necesar să se controleze dispozitivele analogice cu ajutorul informațiilor digitale emise de un computer, de exemplu, pentru a efectua mișcări ale supapelor proporționale cu valoarea calculată a semnalului digital. DAC-urile sunt folosite pentru a potrivi computerul (CU) cu dispozitive analogice, ca componente interne ale ADC și instrumente digitale de măsurare. Ca parte a convertoarelor analog-digitale, DAC-ul este utilizat pentru a genera un semnal analogic (curent sau tensiune), cu care este comparat semnalul convertit.
Caracteristica principală a DAC este rezoluția, determinată de numărul de biți n. Teoretic, o conversie DAC n coduri binare -bit, trebuie să furnizeze 2 n diferite valori ale semnalului de ieșire cu rezoluție (2 n– 1)-1. Valoarea absolută a tensiunii minime de ieșire este definită ca numărul maxim recepționat 2 n- 1, și tensiunea maximă de ieșire a DAC, numită tensiune de scară Uşcoală Deci, cu 12 biți, numărul de cuante independente (pași) ale tensiunii de ieșire a DAC este 212 - 1 = 0,0245%. Scala de tensiune selectată folosind sursa de referință U shk = 10V împărțit la acest număr de cuante oferă rezoluția absolută a DAC
D X = U sk/(2 n- 1) = 103 mV / (212 - 1) = 2,45 mV.
Caracteristica de conversie(CP) DAC– set de valori ale valorii analogice de ieșire xiîn funcție de codul de intrare b i.
Caracteristica de conversie (sau caracteristica de transfer) a DAC este prezentată în fig. 3.15.
Orez. 3.15. Caracteristica de transfer a DAC; A– liniaritate; B– neliniaritate; C– nemonotonitate; D– semnal de ieșire; E- o linie dreaptă care conectează valorile ideale ale nivelurilor semnalului de ieșire; dpsh - eroare la scară completă
Diferența dintre valoarea reală a rezoluției și valoarea teoretică se datorează erorilor nodurilor și zgomotului DAC-ului. Precizia DAC este determinată de valorile erorii absolute a dispozitivului, neliniaritatea și neliniaritatea diferențială.
Eroarea absolută dshk reprezintă abaterea valorii tensiunii de ieșire (curent) de la valoarea nominală calculată corespunzătoare punctului final al caracteristicii de conversie (vezi Fig. 3.15). Eroarea absolută este măsurată, de obicei, în unități cu cifrele cele mai puțin semnificative (LSD).
Neliniaritatea dl caracterizează identitatea incrementelor minime ale semnalului de ieșire pe întregul interval de conversie și este definită ca cea mai mare abatere a semnalului de ieșire de la o linie dreaptă de precizie absolută trasată prin zero și punctul valorii maxime a semnalului de ieșire. . Valoarea neliniarității nu trebuie să depășească ±0,5 unități LSM.
Neliniaritatea diferenţială dl.diff caracterizează identitatea incrementelor de semnal învecinate. Este definită ca diferența minimă dintre eroarea de neliniaritate a două cuante vecine din semnalul de ieșire. Valoarea neliniarității diferențiale nu trebuie să depășească de două ori valoarea erorii de neliniaritate. Dacă valoarea dl.diff este mai mare decât un LSM, atunci convertorul este considerat nemonoton, adică. la ieșire, semnalul de ieșire nu poate crește uniform cu o creștere uniformă a codului de intrare.
Nemonotonitatea în unele cuante dă o scădere a semnalului de ieșire odată cu creșterea codului de intrare.
Eroarea instrumentală, determinată de instabilitatea sursei de tensiune de referință, eroarea comutatoarelor, matricelor rezistive și amplificatoarelor operaționale de ieșire, se numește eroare instrumentală. Principalii factori care cauzează apariția erorilor elementului sunt: răspândirea tehnologică a parametrilor; impactul schimbărilor de mediu (în principal temperatura); modificarea parametrilor în timp (îmbătrânire); expunerea la zgomot extern și intern și interferențe.
Toate erorile instrumentale se manifestă în principal sub următoarele forme:
a) zero offset, care caracterizează deplasarea paralelă a caracteristicii de transfer DAC de la linia dreaptă medie (cauzată de tensiunea de offset de zero și curentul de intrare diferit de zero al amplificatorului operațional, precum și parametrii reziduali ai comutatoarelor);
b) modificări ale coeficientului de transmisie care caracterizează abaterile abruptului caracteristicii reale de transfer de la linia dreaptă medie;
c) abateri ale caracteristicii de transfer a convertorului de la linia dreaptă ideală (o astfel de neliniaritate a transformării se manifestă ca o neidentitate a incrementelor semnalului de ieșire în funcție de codul de intrare).
Caracteristicile dinamice ale DAC includ sincronizarea și frecvența maximă de conversie.
Parametrii de timp determină viteza convertoarelor. Se disting trei parametri de timp: pasul (perioada) de cuantizare D t, timpul de conversie (timpul de stabilire a semnalului de ieșire) t ex, timpul ciclului de conversie t c.
Etapa (perioada) de cuantizare D t este intervalul de timp dintre două transformări succesive. Valoarea inversă a perioadei de cuantizare 1/D t = f sq. se numește frecvența de cuantizare.
Timp de stabilire a ieșirii DAC t pr - timpul de la momentul modificării codului la intrările DAC până la momentul în care valoarea valorii analogice de ieșire diferă de valoarea stabilită cu o valoare dată (Fig. 3.16).
Orez. 3.16. Definiţia time t pr conversie dac
Durata ciclului de conversie t ts este timpul dintre momentul în care este aplicat codul de intrare și este emis semnalul analog de ieșire ( t c = t etc). Este determinată în principal de ciclograme și diagrame de timp care descriu funcționarea dispozitivelor și sistemelor informatice și de calcul cu convertoare disponibile.
Frecvența maximă de conversie - cea mai mare rată de eșantionare la care parametrii DAC corespund valorilor specificate.
Funcționarea DAC-ului este adesea însoțită de impulsuri tranzitorii specifice, care sunt vârfuri ascuțite de amplitudine mare în semnalul de ieșire, care decurg din diferența dintre timpii de deschidere și de închidere a comutatoarelor analogice din DAC. Emisiile se manifestă mai ales atunci când în loc de zero în cifra cea mai semnificativă și cele din cifrele cel mai puțin semnificative ale codului, o unitate introduce cifra cea mai semnificativă (SZR) și codul „toate zerourile” în MZR. De exemplu, dacă codul de intrare 011 ... 111 este înlocuit cu codul 10 ... 000, iar cheia DAC-ului mai vechi se deschide mai târziu decât se închid cheile celor mai mici, atunci o creștere a semnalului de ieșire cu doar un quantum poate fi însoțit de un impuls cu o amplitudine de 0,5 Uşcoală Durata acestui vârf va corespunde întârzierii schimbării stării tastelor.
În prezent, în funcție de valorile parametrilor, se disting DAC-urile de precizie și cu acțiune rapidă. DAC-urile de precizie au dl = 0,1% și de mare viteză t gura = 100ns.
DAC- convertoare digital-analogic - dispozitive concepute pentru a converti un semnal discret (digital) într-un semnal continuu (analogic). Conversia se realizează proporțional cu codul binar al semnalului.
Clasificarea DAC
După tipul semnalului de ieșire: cu iesire curent si iesire tensiune;
După tipul de interfață digitală: cu intrare serială și cu intrare paralelă a codului de intrare;
După numărul de DAC-uri de pe un cip: monocanal și multicanal;
Prin viteza: viteză moderată și viteză mare.
Principalii parametri ai DAC:
1. N - adâncimea de biți.
2. Curentul maxim de ieșire.
4. Valoarea tensiunii de referinţă.
5. Rezoluție.
6. Controlul nivelurilor de tensiune (TTL sau CMOS).
7. Erori de conversie (eroare de offset zero la ieșire, eroare de conversie absolută, neliniaritate de conversie, neliniaritate diferențială). 8. Timp de conversie - intervalul de timp din momentul prezentării (depunerii) codului până în momentul în care apare semnalul de ieșire.
9. Timp de stabilire analogic
Principalele elemente ale DAC sunt:
Matricele rezistive (un set de divizoare cu un anumit TCS, cu o anumită abatere de 2%, 5% sau mai puțin) pot fi construite în IC;
Taste (pe bipolare sau MOSFET);
Sursa de tensiune de referință.
Scheme de bază pentru construirea unui DAC.
21. ADC Dispoziții generale. Frecvența de eșantionare. Clasificare ADC. Principiul de funcționare al ADC cu acțiune paralelă.
În funcție de viteza ADC, acestea sunt împărțite în:
1. ADC-urile de conversie paralelă (ADC-urile paralele) sunt ADC-uri de mare viteză, au o utilizare complexă a hardware-ului de unități de GHz. rezoluție N = 8-12 biți, Fg = zeci de MHz
2. ADC de aproximare succesivă (numărare succesivă) până la 10 MHz. Rezoluție N = 10-16 biți, Fg = zeci de kHz
3. Integrarea ADC-urilor de sute de Hz rezoluție N = 16-24 biți, Fg = zeci
4. Unități ADC sigma-delta de MHz rezoluție N = 16-24 biți, Fg = sute de Hz
22. ADC de numărare în serie. Principiul de funcționare.
23. ADC al aproximărilor succesive. Principiul de funcționare.
Acest cod de la ieșirea RPP este alimentat la DAC, care scoate la ieșire tensiunea corespunzătoare 3/4Uinmax, care este comparată cu Uin (pe SS) și rezultatul este scris pe același bit de al patrulea impuls de ceas. Procesul continuă apoi până când toți biții au fost analizați.
Timp de conversie SAR ADC:
tpr = 2nTG, unde TG este perioada de repetiție a impulsului generatorului; n - adâncimea de biți a ADC.
Aceste ADC-uri sunt mai lente decât ADC-urile paralele, dar sunt mai ieftine și consumă mai puțină energie. Exemplu: 1113PV1.
24. Principiul de funcționare al ADC de tip integrator.
Principiul de funcționare al ADC integrator se bazează pe două principii principale:
1. Conversia tensiunii de intrare în frecvență sau durata (timp) impulsurilor
Uin → f (VFC - convertor tensiune-frecvență)
2. Transformarea frecvenței sau a duratei (timpului) într-un cod digital
f → N; T → N.
Eroarea principală este introdusă de VLF.
ADC-urile de acest tip efectuează conversia în două etape.
În primul pas, semnalul analogic de intrare este integrat și această valoare integrată este convertită într-un tren de impulsuri. Frecvența de repetare a impulsurilor în această secvență sau durata acestora este modulată de valoarea integrată a semnalului de intrare.
În a doua etapă, această secvență de impulsuri este convertită într-un cod digital - se măsoară frecvența sau durata pulsului.
