Circuite integrate de mare viteză ale DAC și ADC și măsurarea parametrilor acestora - A. Marcinkevičius.Caracteristicile de transfer static ale erorilor ADC și DAC și DC
Convertoarele digital-analogic au caracteristici statice și dinamice.
Caracteristicile statice ale DAC
Principal caracteristici statice DAC-urile sunt:
· rezoluție;
· neliniaritate;
· neliniaritate diferenţială;
· monotonie;
· factor de conversie;
· eroare de scară completă absolută;
· eroare relativă la scară completă;
· offset zero;
eroare absolută
Rezoluţie – acesta este incrementul lui U OUT la transformarea valorilor adiacente D j, adică. diferă cu o unitate cel mai puțin semnificativă (EMP). Acest increment este pasul de cuantificare. Pentru codurile de conversie binare, valoarea nominală a etapei de cuantizare este
h = U PS /(2 N – 1),
unde U PN este tensiunea nominală maximă de ieșire a DAC (tensiune la scară completă), N este capacitatea de biți a DAC. Cu cât este mai mare adâncimea de biți a convertorului, cu atât rezoluția acestuia este mai mare.
Eroare la scară completă – diferența relativă dintre valorile reale și ideale ale limitei scalei de conversie în absența unui offset de zero, i.e.
Este componenta multiplicativă a erorii totale. Uneori indicat de numărul EMP corespunzător.
Eroare de compensare zero – valoarea lui U OUT când codul de intrare DAC egal cu zero. Este o componentă aditivă a erorii totale. De obicei exprimat în milivolți sau ca procent din scara completă:
Neliniaritate – abaterea maximă a caracteristicii reale de conversie U OUT (D) de la cea optimă (Fig. 5.2, linia 2). Caracteristica optimă este găsită empiric astfel încât să minimizeze valoarea erorii de neliniaritate. Neliniaritatea este de obicei definită în unități relative, dar în datele de referință este dată și în EMP. Pentru caracteristicile prezentate în fig. 5.2,
Neliniaritate diferențială – schimbare maximă(ținând cont de semnul) abaterii caracteristicii de transformare efectivă U OUT (D) de la cea optimă la trecerea de la o valoare a codului de intrare la o altă valoare adiacentă. De obicei definit în unități relative sau în EMP. Pentru caracteristicile prezentate în fig. 5.2,
Monoton caracteristici de conversie - creșterea (scăderea) tensiunii de ieșire a DAC (U OUT) cu o creștere (scăderea) a codului de intrare D. Dacă neliniaritatea diferențială este mai mare decât pasul de cuantificare relativă h/U PN, atunci caracteristica convertorului este nemonotonă.
Instabilitatea temperaturii a DAC se caracterizează prin coeficienții de temperatură erori la scară completă și erori de compensare zero.
Erorile la scară completă și la zero offset pot fi corectate prin calibrare (tuning). Erorile de neliniaritate nu pot fi eliminate prin mijloace simple.
Caracteristicile dinamice ale DAC
LA caracteristici dinamice a.m DAC-urile includ timpul de decontare și timpul de conversie.
Cu o creștere secvențială a valorilor semnalului digital de intrare D(t) de la 0 la (2 N – 1) prin unitatea cea mai puțin semnificativă, semnalul de ieșire U OUT (t) formează o curbă în trepte. Această dependență este de obicei numită caracteristică de conversie DAC. În absența erorilor hardware, punctele medii ale pașilor sunt situate pe linia dreaptă ideală 1 (vezi Fig. 5.2), care corespunde caracteristicii de conversie ideală. Caracteristica reală de transformare poate diferi semnificativ de cea ideală în ceea ce privește dimensiunea și forma pașilor, precum și locația acestora pe planul de coordonate. Există o serie de parametri pentru a cuantifica aceste diferențe.
Parametri dinamici DAC-urile sunt identificate prin modificarea semnalului de ieșire când schimbare bruscă cod de introducere, de obicei de la valoarea „toate zerourile” la „toate cele” (Fig. 5.3).
Timp de stabilire
– interval de timp din momentul trădării
cod de introducere (Fig. 5.3, t = 0) până la ultima dată când egalitatea este satisfăcută:
|U OUT – U ПШ | = d/2,
cu d/2 corespunzând de obicei EMP.
Slew rate – viteza maxima modificări în U OUT (t) în timpul procesului tranzitoriu. Definit ca raport de creștere D U OUT la timpul Dt în care a avut loc această creștere. Indicat de obicei în specificatii tehnice DAC cu ieșire de tensiune. Pentru convertoarele digital-analogic cu ieșire de curent, acest parametru depinde în mare măsură de tipul de amplificator operațional de ieșire.
Pentru multiplicarea DAC-urilor cu ieșire de tensiune, sunt adesea specificate frecvența unității de câștig și lățimea de bandă de putere, care sunt determinate în principal de proprietățile amplificatorului de ieșire.
Figura 5.4 prezintă două metode de liniarizare, din care rezultă că metoda de liniarizare să se obțină valoarea minima D l prezentat în fig. 5.4, b, vă permite să reduceți eroarea D l la jumătate în comparație cu metoda de liniarizare la punctele limită (Fig. 5.4, a).
Pentru convertoarele digital-analogic cu n cifre binare, în cazul ideal (în absența erorilor de conversie), ieșirea analogică U OUT este legată de numărul binar de intrare, după cum urmează:
U OUT = U OP (a 1 2 -1 + a 2 2 -2 +…+ a n 2 -n),
unde U OP este tensiunea de referință a DAC (de la sursa încorporată sau externă).
Deoarece ∑ 2 -i = 1 – 2 -n, atunci cu toți biții porniți, tensiunea de ieșire a DAC este egală cu:
U OUT (a 1 …a n) = U OP (1 – 2 -n) = (U OP /2 n) (2 n – 1) = D (2 n – 1) = U PS,
unde U PN este tensiunea la scară completă.
Astfel, când toți biții sunt porniți, tensiunea de ieșire convertor digital-analogic, care în acest caz formează U PN, diferă de valoarea tensiunii de referință (U OP) prin valoarea cifrei celei mai puțin semnificative a convertorului (D), definită ca
D = U OP /2 n.
Când orice i-al-lea bit este pornit, tensiunea de ieșire a DAC-ului va fi determinată din relația:
U OUT /a i = U OP 2 -i .
Un convertor digital-analogic convertește codul binar digital Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 într-o valoare analogică, de obicei tensiunea U OUT. sau curent I OUT. Fiecare bit al codului binar are o anumită greutate a celui de-al i-lea bit de două ori mai mult decât greutatea celui de-al (i-1)-lea. Funcționarea DAC poate fi descrisă prin următoarea formulă:
U OUT = e (Q 1 1 + Q 2 2 + Q 3 4 + Q 4 8 +…),
unde e este tensiunea corespunzătoare ponderii cifrei cel mai puțin semnificative, Q i este valoarea cifrei i-a a codului binar (0 sau 1).
De exemplu, numărul 1001 corespunde cu:
U OUT = e (1· 1 + 0 · 2 + 0 · 4 + 1 · = 9 · e,
și numărul 1100 corespunde
U OUT = e (0· 1 + 0 · 2 + 1 · 4 + 1 · = 12 · e.
Un convertor digital-analogic (DAC) este un dispozitiv pentru conversie cod digitalîntr-un semnal analog în mărime proporțională cu valoarea codului.
DAC-urile sunt folosite pentru a conecta sistemele de control digital cu dispozitive care sunt controlate de nivel semnal analog. De asemenea, DAC-ul este parte integrantăîn multe structuri analog-digitale de dispozitive și convertoare.
DAC este caracterizat de o funcție de conversie. Leagă o modificare a codului 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 Nin, furnizat la intrările DAC.
U max- tensiune maximă de ieșire corespunzătoare codului maxim aplicat intrărilor N max
mărimea K DAC, determinat de raport, se numește coeficient de conversie digital-analogic. În ciuda naturii treptate a caracteristicii asociate cu o modificare discretă a valorii de intrare (cod digital), se crede că DAC-urile sunt convertoare liniare.
Dacă valoarea Nin reprezentată prin valorile greutăților cifrelor sale, funcția de transformare poate fi exprimată după cum urmează
, Unde
i- numărul de cifre al codului de intrare Nin; A i- sens i a-a cifră (zero sau unu); Ui – greutate i-a categoriei; n – numărul de biți ai codului de intrare (numărul de biți ai DAC-ului).
Greutatea bitului este determinată pentru o anumită capacitate de bit și este calculată folosind următoarea formulă
U OP - Tensiune de referință DAC
Principiul de funcționare al majorității DAC-urilor este însumarea cotelor semnalelor analogice (greutatea de descărcare), în funcție de codul de intrare.
DAC poate fi implementat folosind însumarea curentului, însumarea tensiunii și diviziunea tensiunii. În primul și al doilea caz, în conformitate cu valorile biților codului de intrare, semnalele generatoarelor de curent și surselor E.M.F. sunt însumate. Ultima metodă este un divizor de tensiune controlat de cod. Două cele mai recente metode nu au găsit o utilizare pe scară largă din cauza dificultăților practice în implementarea lor.
Metode de implementare a unui DAC cu însumarea ponderată a curenților
Să luăm în considerare construcția unui DAC simplu 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 selectate în conformitate cu legea binară. 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 comutatoarele sunt închise, curentul va curge prin fiecare rezistor. Valorile curente ale rezistențelor, datorită alegerii adecvate a evaluărilor lor, vor fi, de asemenea, distribuite conform legii binare. La trimiterea unui cod de intrare Nin Tastele sunt pornite în funcție de valoarea biților corespunzători ai codului de intrare. Cheia este închisă dacă cifra corespunzătoare egal cu unu. În acest caz, curenții sunt însumați în nod, proporțional cu greutățile acestor biți, iar mărimea curentului care curge din nod în ansamblu va fi proporțională cu valoarea codului de intrare. Nin.
Rezistența rezistențelor matriceale este aleasă să fie destul de mare (zeci de kOhmi). Prin urmare, pentru majoritatea cazurilor practice, DAC joacă rolul unei surse de curent pentru sarcină. Dacă este necesar să se obțină tensiune la ieșirea convertorului, atunci un convertor curent-tensiune este instalat la ieșirea unui astfel de DAC, de exemplu, pe un amplificator operațional
Cu toate acestea, atunci când codul se schimbă 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 are rezistență internă scăzută. Într-un alt caz, în momentul în care codul de intrare se modifică, curentul preluat de la sursă se modifică, ceea ce duce la o modificare a căderii de tensiune pe ea. rezistență internăși, la rândul său, la o modificare suplimentară a curentului de ieșire care nu este direct legată de modificarea codului. Structura DAC-ului cu comutatoare ne permite să eliminăm acest dezavantaj.
Într-o astfel de structură există două noduri de ieșire. În funcție de valoarea biților codului de intrare, cheile corespunzătoare sunt conectate la nodul conectat la 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 comutatorului, iar cantitatea de curent consumată de la sursa de tensiune de referință este constantă.
Un dezavantaj comun al ambelor structuri luate în considerare este raportul mare dintre cele mai mici și cele mai mari valori ale rezistențelor matriceale. În același timp, în ciuda mare diferență rezistoare, este necesar să se asigure aceeași precizie absolută de potrivire atât pentru cele mai mari, cât și pentru cele mai mici valori nominale ale rezistenței. Într-un design DAC integrat cu mai mult de 10 biți, acest lucru este destul de dificil de realizat.
Structurile bazate pe materiale rezistive nu prezintă toate dezavantajele de mai sus. R-2R matrici
Cu această construcție a matricei rezistive, curentul în fiecare ramură paralelă ulterioară este de două ori mai mic decât în cea anterioară. 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 sunt numite multiplicatori. Toată lumea va avea aceste proprietăți. DAC,în care formarea valorilor de curent ponderate corespunzătoare greutăților de descărcare 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 conductivități 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 conditionatoarelor de semnal etc.
Parametrii de bază și erorile DAC
Principalii parametri care pot fi văzuți în director:
1. Număr de biți – numărul de biți ai codului de intrare.
2. Coeficient de conversie - raportul dintre incrementul semnalului de ieșire și incrementul semnalului de intrare pentru funcție liniară transformări.
3. Timpul de stabilire a tensiunii sau curentului de ieșire - intervalul de timp din momentul modificării codului dat la intrarea DAC până în momentul în care tensiunea sau curentul de ieșire intră în cele din urmă în zona cu lățimea cifrei mai puțin semnificative ( MZR).
4. Frecvența maximă transformări – cea mai mare frecvență a modificărilor de cod la care parametri specificati respectă standardele stabilite.
Există și alți parametri care caracterizează performanța DAC-ului și caracteristicile funcționării acestuia. Acestea includ: tensiune de intrare scăzută și nivel inalt, 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 care rămân după finalizarea tuturor proceselor tranzitorii asociate cu schimbarea codului de intrare. Erorile dinamice sunt determinate de procese tranzitorii la ieșirea DAC care apar ca urmare a unei modificări a codului de intrare.
Principalele tipuri de erori DAC statice:
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 offset zero de ieșire – tensiune DC la ieșirea DAC cu un cod de intrare corespunzător unei valori de tensiune de ieșire zero. Măsurat în unități de ordin mic. Eroare factor de conversie (scală) – asociată cu abaterea pantei funcției de conversie de la cea necesară.
Neliniaritatea DAC este abaterea funcției de conversie reală de la linia dreaptă specificată. Este cea mai gravă eroare greu de combatet.
Erori de neliniaritate în caz general sunt împărțite în două tipuri - integrale și diferențiale.
Eroarea de neliniaritate integrală este abaterea maximă a caracteristicii reale de la cea ideală. De fapt, aceasta ia în considerare funcția de transformare medie. Această eroare este determinată ca procent din intervalul final al valorii de ieșire.
Neliniaritatea diferențială este asociată cu inexactitatea stabilirii greutăților descărcărilor, i.e. cu erori ale elementelor de divizare, împrăștiere 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 convertoarelor (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 efectuează prin introducerea în structura dispozitivului, cu excepția LSI DAC elemente suplimentare. Astfel de metode se numesc structurale.
Cel mai proces complex este de a asigura liniaritatea, deoarece acestea sunt determinate de parametrii corelați ai multor elemente și noduri. Cel mai adesea, sunt ajustate doar offset-ul zero și coeficientul
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 al elementelor.
Eroarea de compensare zero și eroarea de scară sunt ușor de corectat la ieșirea DAC. Pentru a face acest lucru, se introduce un offset constant în semnalul de ieșire, compensând decalajul caracteristicii convertorului. Scala de conversie necesară se stabilește fie prin ajustarea câștigului setat la ieșirea convertorului amplificatorului, fie prin ajustarea valorii tensiunii de referință dacă DAC-ul este unul multiplicator.
Metodele de corecție cu control de testare constau în identificarea erorilor DAC în întregul set de influențe de intrare permise și adăugarea de corecții calculate pe baza acestora la valoarea de intrare sau de ieșire pentru a compensa aceste erori.
Pentru orice metodă de corecție cu control folosind un semnal de testare, sunt prevăzute următoarele acțiuni:
1. Măsurarea caracteristicilor DAC pe un set de influențe 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 efectele corective necesare asupra blocurilor corectate.
4. Efectuarea corectării.
Controlul poate fi efectuat o 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, monitorizarea, de regulă, se efectuează periodic, tot timpul în timp ce convertorul nu este direct implicat în funcționarea dispozitivului. O astfel de organizare a controlului și corecției convertoarelor poate fi efectuată atunci când funcționează ca parte a unui sistem de măsurare cu microprocesor.
Principalul dezavantaj al oricărei metode de control end-to-end este mare vreme controlul împreună cu eterogenitatea și volumul 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 DAC. Ca rezultat, la intrarea DAC este primit un cod, care generează valoarea necesară a tensiunii sau a curentului la ieșire. Cel mai implementare simplă Această metodă de corecție constă într-un reglabil DAC, la intrarea căreia este instalat un dispozitiv de stocare digitală ( memorie). Codul de intrare joacă rolul unui cod de adresă. ÎN memorie Adresele corespunzătoare conțin valori de cod precalculate, ținând cont de corecții, furnizate DAC-ului corectat.
Pentru corecția analogică, pe lângă DAC-ul principal, este utilizat un alt DAC suplimentar. Intervalul semnalului său de ieșire corespunde valorii maxime de eroare a DAC-ului corectat. Codul de intrare este furnizat simultan intrărilor DAC-ului corectat și intrărilor de adrese 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 însumat cu semnalul de ieșire al DAC-ului corectat. Datorită dimensiunii reduse a intervalului necesar al semnalului de ieșire al DAC-ului suplimentar în comparație cu domeniul semnalului de ieșire al DAC-ului corectat, erorile proprii ale primei sunt neglijate.
În unele cazuri, devine necesară corectarea dinamicii DAC.
Răspunsul tranzitoriu al DAC-ului va fi diferit atunci când se schimbă diferite combinații de coduri, cu alte cuvinte, timpul de stabilire a semnalului de ieșire va fi diferit. Prin urmare, atunci când utilizați un DAC, este necesar să luați în considerare timp maxim stabilimente. Cu toate acestea, în unele cazuri este posibil să se corecteze comportamentul caracteristicii de transfer.
Caracteristici ale utilizării LSI DAC
Pentru utilizarea cu succes a modernului BIS Nu este suficient ca DAC-urile să cunoască lista principalelor lor caracteristici și circuitele de bază pentru includerea lor.
Impact semnificativ asupra rezultatelor aplicației BIS DAC-ul îndeplinește cerințele operaționale determinate de caracteristicile unui anumit cip. Astfel de cerințe includ nu numai utilizarea semnalelor de intrare acceptabile, tensiunea de alimentare, capacitatea și rezistența la sarcină, ci și implementarea secvenței de pornire. surse diferite alimentare, separarea circuitelor care conectează diferite 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 într-un DAC este prezența supratensiunii la ieșire cauzate de comutarea întrerupătoarelor din interiorul convertorului. Amplitudinea acestor explozii poate 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 comută în modul de stocare, deschizând circuitul de transmisie a semnalului analogic la ieșire. Datorită acestui fapt, vârful tensiunii de ieșire a DAC nu ajunge la ieșire UVH, care este apoi pus în modul de urmărire, repetând ieșirea 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 DAC în tensiune. Când se aplică codul de intrare DAC la ieșire OU va fi o eroare DU, cauzată de tensiunea de polarizare și egală cu
,
Unde U cm– tensiune de polarizare OU; R os– valoarea rezistenței în circuitul de feedback OU; R m– rezistența matricei rezistive a DAC (rezistența de ieșire a DAC), în funcție de valoarea codului aplicat la intrarea acestuia.
Deoarece raportul variază 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 impact semnificativ asupra timpului de stabilire a tensiunii de ieșire. OU la precizia cerută. Pentru a reduce această influență R os ocolit cu un condensator Cu OS.
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 a intervalului de tensiune de ieșire la ieșire și pentru multiplicarea DAC-urilor prin comutarea polarității sursei de tensiune de referință.
Vă rugăm să rețineți că dacă utilizați DAC integrat, având un număr mai mare de biți 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 cu cea mai largă gamă posibilă a semnalului de ieșire al DAC-ului LSI, cifrele sunt luate ca astfel de cifre, începând cu cea mai puțin semnificativă.
Unul dintre exemple practice Aplicațiile DAC-urilor sunt conditionatoare de semnal forme diferite. Am făcut un model mic în Proteus. Folosind un DAC controlat de MK (Atmega8, deși se poate face și pe Tiny), sunt generate 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 standard. Deoarece ieșirea sa este curentă, este convertită în tensiune folosind un amplificator inversor folosind un amplificator operațional.
În principiu, poți avea chiar și cifre atât de interesante, îmi amintește de ceva, nu? Dacă alegeți o adâncime de biți mai mare, veți deveni mai neted
Bibliografie:
1. Bakhtiyarov G.D., Malinin V.V., Shkolin V.P. Convertoare analog-digitale/Ed. G.D. Bakhtiyarov - M.: Sov. radio. – 1980. – 278 p.: ill.
2. Proiectarea sistemelor cu microprocesoare de control analog-digital.
3. O.V. Şişov. - Saransk: Editura Mordov. Universitatea 1995. - p.
Mai jos puteți descărca proiectul de la
Cel mai punct important Ceea ce caracterizează atât DAC-urile, cât și ADC-urile este faptul că intrările sau ieșirile lor sunt digitale, ceea ce înseamnă că semnalul analogic este eșantionat după nivel. De obicei, un cuvânt de N biți este reprezentat ca una dintre cele 2N stări posibile, astfel încât un DAC de N biți (cu o referință de tensiune fixă) poate avea doar 2N valori de semnal analogic, iar un ADC poate scoate doar 2N valori de cod binar diferite. Semnalele analogice pot fi reprezentate sub formă de tensiune sau curent.
Rezoluția unui ADC sau DAC poate fi exprimată în mai multe căi diferite: greutate LSB, ppm FS, milivolți (mV), etc. Dispozitivele diferite (chiar și de la același producător de cip) sunt definite diferit, astfel încât utilizatorii ADC și DAC trebuie să poată converti diferitele caracteristici pentru a compara corect dispozitivele. Unele valori ale bitului cel mai puțin semnificativ (LSB) sunt date în tabelul 1.
Tabelul 1. Cuantizare: valoarea bitului cel mai puțin semnificativ (LSB).
| Rezoluţie abilitatea N | 2N | Tensiune la scară maximă 10V | ppm FS | %FS | dB FS |
| 2 biți | 4 | 2,5 V | 250000 | 25 | -12 |
| 4 biți | 16 | 625 mV | 62500 | 6.25 | -24 |
| 6 biți | 64 | 156 mV | 15625 | 1.56 | -36 |
| 8 biți | 256 | 39,1 mV | 3906 | 0.39 | -48 |
| 10 biți | 1024 | 9,77 mV (10 mV) | 977 | 0.098 | -60 |
| 12 biți | 4096 | 2,44 mV | 244 | 0.024 | -72 |
| pe 14 biți | 16384 | 610 µV | 61 | 0.0061 | -84 |
| pe 16 biți | 65536 | 153 µV | 15 | 0.0015 | -96 |
| pe 18 biți | 262144 | 38 µV | 4 | 0.0004 | -108 |
| 20 de biți | 1048576 | 9,54 µV (10 µV) | 1 | 0.0001 | -120 |
| 22 de biți | 4194304 | 2,38 µV | 0.24 | 0.000024 | -132 |
| 24 de biți | 16777216 | 596 nV* | 0.06 | 0.000006 | -144 |
Înainte de a privi caracteristicile structura interna ADC și DAC, este necesar să discutăm despre performanța așteptată și cei mai importanți parametri convertoare digital-analogic și analog-digital. Să ne uităm la definiția erorilor și cerinte tehnice cerințe pentru convertoare analog-digital și digital-analogic. Acest lucru este foarte important pentru înțelegerea punctelor forte și slabe ale ADC-urilor și DAC-urilor construite pe principii diferite.
Primele convertoare de date au fost destinate utilizării în aplicații de măsurare și control, unde momentul exact al conversiei semnalului de intrare nu era de obicei important. Viteza de transfer de date în astfel de sisteme a fost scăzută. În aceste dispozitive, caracteristicile convertoarelor analog-digital și digital-analogic sunt importante. DC, iar caracteristicile asociate cu sincronizarea cadrelor și caracteristicile AC nu contează.
Astăzi, multe, dacă nu majoritatea, ADC-uri și DAC-uri sunt utilizate în sistemele de eșantionare și reconstrucție a semnalului audio, video și radio, unde caracteristicile lor AC sunt decisive pentru funcționarea întregului dispozitiv, în timp ce caracteristicile DC ale convertoarelor pot să nu fie importante. .
Figura 1 prezintă funcția de transfer ideală a unui convertor digital-analogic unipolar, pe trei biți. În acesta, atât semnalele de intrare, cât și de ieșire sunt cuantificate, astfel încât graficul funcției de transfer conține opt puncte separate. Indiferent de modul în care este aproximată această funcție, este important să ne amintim că caracteristica reală de transmisie a unui convertor digital-analogic nu este o linie continuă, ci un număr de puncte discrete.
Figura 1. Funcția de transfer a unui convertor ideal digital-analogic pe trei biți.
Figura 2 prezintă funcția de transfer a unui convertor ideal de trei biți analog-digital fără semn. Rețineți că semnalul analogic de la intrarea ADC nu este cuantificat, dar ieșirea sa este rezultatul cuantificării acelui semnal. Caracteristica de transfer a unui convertor analog-digital constă din opt linii orizontale, dar atunci când analizăm offset-ul, câștigul și liniaritatea ADC, vom lua în considerare linia care conectează punctele de mijloc ale acestor segmente.
Figura 2. Funcția de transfer a unui ADC ideal pe 3 biți.
În ambele cazuri discutate, scara digitală completă (toți „1s”) corespunde scalei analogice complete, care coincide cu tensiunea de referință sau o tensiune dependentă de aceasta. Prin urmare, un cod digital reprezintă o relație normalizată între un semnal analog și o tensiune de referință.
Tranziția unui convertor ideal analog-digital la următorul cod digital are loc de la o tensiune egală cu jumătate din cifra cea mai puțin semnificativă la o tensiune mai mică de jumătate din cifra cea mai puțin semnificativă a tensiunii la scară completă. Deoarece semnalul analog la intrarea ADC poate lua orice valoare, iar semnalul digital de ieșire este un semnal discret, apare o eroare între semnalul analogic de intrare real și valoarea corespunzătoare a semnalului digital de ieșire. Această eroare poate atinge jumătate din cifra cea mai puțin semnificativă. Acest efect este cunoscut sub numele de eroare de cuantizare sau incertitudine de transformare. În dispozitivele care utilizează semnale AC, această eroare de cuantizare are ca rezultat zgomot de cuantizare.
Exemplele prezentate în figurile 1 și 2 arată caracteristicile tranzitorii ale convertoarelor fără semn care funcționează cu un semnal de o singură polaritate. Acesta este cel mai simplu tip de convertor, dar convertoarele bipolare sunt mai utile în aplicațiile reale.
Există două tipuri de convertoare bipolare utilizate în prezent. Cel mai simplu dintre ele este un convertor unipolar convențional, a cărui intrare este furnizată cu un semnal analogic cu o componentă constantă. Această componentă introduce un offset al semnalului de intrare cu o sumă corespunzătoare unității de bit cel mai semnificativ (MSB). Multe convertoare pot comuta această tensiune sau curent pentru a permite convertorului să fie utilizat fie în modul unipolar, fie în modul bipolar.
Un alt tip de convertor, mai complex, este cunoscut sub numele de ADC cu semn și pe lângă N biți de informații există un bit suplimentar care arată semnul semnalului analogic. Convertoarele analog-digitale sunt utilizate destul de rar și sunt utilizate în principal ca parte a voltmetrelor digitale.
Există patru tipuri de erori DC în ADC și DAC: eroare de compensare, eroare de câștig și două tipuri de erori de liniaritate. Erorile de compensare și câștig ale ADC-urilor și DAC-urilor sunt similare cu cele ale amplificatoarelor convenționale. Figura 3 prezintă conversia semnalelor de intrare bipolare (deși eroarea de compensare și eroarea zero, care sunt identice în amplificatoare și ADC-uri și DAC-uri unipolare, sunt diferite în convertoarele bipolare și ar trebui luate în considerare).
Figura 3: Precizia decalajului zero al convertorului și precizia câștigului
Caracteristica de transfer atât a DAC, cât și a ADC poate fi exprimată ca D = K + GA, unde D este un cod digital, A este un semnal analogic, K și G sunt constante. Într-un convertor unipolar, coeficientul K este egal cu zero; într-un convertor bipolar cu o polarizare, este egal cu una dintre cele mai semnificative cifre. Eroarea de polarizare a convertorului este valoarea cu care valoarea reală a câștigului K diferă de valoarea ideală. Eroarea câștigului este valoarea cu care câștigul G diferă de valoarea ideală.
În general, eroarea câștigului poate fi exprimată ca diferență între doi coeficienți, exprimată ca procent. Această diferență poate fi considerată ca contribuția erorii de câștig (în valori mV sau LSB) la eroarea totală la valoarea maximă a semnalului de intrare. De obicei, utilizatorului i se oferă posibilitatea de a minimiza aceste erori. Rețineți că, în amplificator, offset-ul este mai întâi ajustat la zero semnal de intrare, apoi reglați câștigul la o valoare a semnalului de intrare apropiată de maxim. Algoritmul pentru reglarea convertoarelor bipolare este mai complex.
Neliniaritatea integrală a DAC și ADC este similară cu neliniaritatea amplificatorului și este definită ca abaterea maximă a caracteristicii reale de transmisie a convertorului de la o linie dreaptă. În general, este exprimat ca procent din scara completă (dar poate fi reprezentat în valori LSB). Există două metode generale de aproximare a caracteristicilor de transmisie: metoda punctului final și metoda celei mai bune linii drepte (vezi Figura 4).
Figura 4. METODĂ DE MĂSURARE ERORII DE LINEARITATE TOTALĂ
Când se utilizează metoda punctului final, se măsoară abaterea unui punct caracteristic arbitrar (după corectarea câștigului) de la o linie dreaptă trasă de la origine. Astfel, Analog Devices, Inc. măsurați valorile neliniarității integrale a convertoarelor utilizate în sarcinile de măsurare și control (deoarece mărimea erorii depinde de abaterea de la caracteristica ideală și nu de o „cea mai bună aproximare”) arbitrară.
Cea mai bună metodă de linie oferă o predicție mai adecvată a distorsiunii în aplicațiile care se ocupă cu semnale AC. Este mai puțin sensibil la neliniaritățile caracteristicilor tehnice. Metoda de cea mai bună potrivire trasează o linie dreaptă prin caracteristica de transmisie a dispozitivului utilizând tehnici standard de interpolare a curbei. După aceasta, abaterea maximă este măsurată de la linia dreaptă construită. De obicei, neliniaritatea integrală măsurată în acest mod reprezintă doar 50% din neliniaritatea estimată prin metoda punctului final. Acest lucru face ca metoda să fie preferată pentru specificarea caracteristicilor tehnice impresionante într-o specificație, dar mai puțin utilă pentru analiza valorilor de eroare din lumea reală. Pentru aplicațiile AC, este mai bine să determinați distorsiunea armonică decât neliniaritatea DC, astfel încât cea mai bună metodă în linie dreaptă este rareori necesară pentru a determina neliniaritatea convertorului.
Un alt tip de neliniaritate a convertorului este neliniaritatea diferenţială (DNL). Este asociat cu neliniaritatea tranzițiilor de cod ale convertorului. În mod ideal, o schimbare a unei unități în bitul cel mai puțin semnificativ al codului digital corespunde exact cu o schimbare a unei unități în bitul cel mai puțin semnificativ al semnalului analogic. Într-un DAC, schimbarea unui bit cel mai puțin semnificativ al codului digital ar trebui să determine modificarea semnalului ieșire analogică, corespunzând exact valorii cifrei celei mai puțin semnificative. În același timp, în ADC atunci când treceți de la unul nivel digitalîn următorul, valoarea semnalului la intrarea analogică trebuie să se schimbe exact cu valoarea corespunzătoare cifrei mai puțin semnificative a scalei digitale.
Acolo unde modificarea semnalului analogic corespunzătoare unei modificări a bitului cel mai puțin semnificativ al codului digital este mai mare sau mai mică decât această valoare, vorbim de o eroare diferențială neliniară (DNL). Eroarea DNL a unui convertor este de obicei definită ca valoarea maximă a neliniarității diferențiale detectată la orice tranziție.
Dacă neliniaritatea diferențială a DAC este mai mică de –1 LSB la orice tranziție (vezi Figura 2.12), se spune că DAC-ul este nemonoton, iar răspunsul său de transmisie conține unul sau mai multe maxime sau minime locale. Neliniaritatea diferențială mai mare de +1 LSB nu provoacă încălcarea monotonității, dar este, de asemenea, nedorită. În multe aplicații DAC (în special sistemele cu buclă închisă în care non-monotonitatea poate schimba feedback-ul negativ în feedback pozitiv), monotonitatea DAC este foarte importantă. Adesea, monotonitatea unui DAC este menționată în mod explicit în fișa de date, deși dacă neliniaritatea diferențială este garantată a fi mai mică decât bitul cel mai puțin semnificativ (adică |DNL|. 1LSB), dispozitivul va fi monoton chiar dacă nu este specificat în mod explicit.
Este posibil ca un ADC să fie nemonoton, dar cea mai comună manifestare a DNL într-un ADC este codurile lipsă. (vezi Fig. 2.13). Codurile lipsă (sau non-monotonitatea) într-un ADC sunt la fel de nedorite ca și non-monotonitatea într-un DAC. Din nou, acest lucru se întâmplă când DNL > 1 LSB.
Figura 5. Funcție de transfer DAC pe 3 biți non-ideal
Figura 6. Funcție de transfer DAC pe 3 biți non-ideal
Determinarea codurilor lipsă este mai dificilă decât determinarea nemonotonității. Toate ADC-urile sunt caracterizate de un zgomot de tranziție, ilustrat în Figura 2.14 (gândiți-vă la acest zgomot ca la ultima cifră a unui voltmetru digital care pâlpâie între valorile adiacente). Pe măsură ce rezoluția crește, domeniul semnalului de intrare corespunzător nivelului de zgomot de tranziție poate atinge sau chiar depăși valoarea semnalului corespunzătoare celui mai puțin semnificativ. În acest caz, mai ales în combinație cu o eroare DNL negativă, se poate întâmpla să existe unele (sau chiar toate) codurile în care zgomotul de tranziție este prezent pe întregul interval de valori ale semnalului de intrare. Astfel, pot exista unele coduri pentru care nu există o valoare a semnalului de intrare la care este garantat că acel cod să apară în ieșire, deși poate exista o gamă de semnal de intrare la care codul va apărea uneori.
Figura 7. Efectele combinate ale zgomotului de tranziție a codului și ale neliniarității diferențiale (DNL)
Pentru un ADC cu rezoluție scăzută, condiția codului fără zgomot poate fi definită ca o combinație de zgomot de tranziție și neliniaritate diferențială care ar garanta un anumit nivel (de exemplu 0,2 LSB) de cod fără zgomot pentru toate codurile. Cu toate acestea, nu este posibil să se obțină rezoluția înaltă a ADC-urilor sigma-delta de astăzi sau chiar rezoluția mai mică a unui ADC cu lățime de bandă largă. În aceste cazuri, producătorul trebuie să determine nivelurile de zgomot și rezoluția într-un alt mod. Nu este atât de importantă metoda utilizată, dar specificația ar trebui să definească în mod clar metoda utilizată și caracteristicile așteptate.
Literatură:
- Analod-Digital Conversion, Walt Kester editor, Analog Devices, 2004. - 1138 p.
- Mixed-Signal and DSP Design Techniques ISBN_0750676116, Walt Kester editor, Analog Devices, 2004. - 424 p.
- High Speed System Application, editor Walt Kester, Analog Devices, 2006. - 360 p.
Împreună cu articolul „Caracteristicile de transfer static ale ADC-urilor și DAC-urilor” citiți:
Apar dificultăți semnificative la reducerea erorii aleatoare la măsurarea unei cantități care variază în timp. În același timp, pentru a obține cea mai bună estimare a valorii măsurate se aplică o procedură de filtrare. În funcție de tipul de transformări utilizate, se disting filtrarea liniară și neliniară, unde implementarea procedurilor individuale se poate realiza atât în hardware cât și în software.
Filtrarea poate fi folosită nu numai pentru a suprima interferențele induse pe circuitele de intrare ale transmisiei semnalului analogic, ci, dacă este necesar, pentru a limita spectrul semnalului de intrare și a restabili spectrul semnalului de ieșire (acest lucru a fost deja discutat mai devreme). Dacă este necesar, pot fi utilizate filtre cu o frecvență de tăiere reglabilă.
Aplicarea corecției automate erori sistematice poate fi considerat ca efectuând adaptarea canalului la propria stare. Aplicarea modernului element de bază permite astăzi implementarea circuitelor de intrare care se adaptează la caracteristicile semnalului de intrare, în special la domeniul său dinamic. Pentru o astfel de adaptare, este necesar un amplificator de intrare cu câștig controlat. Dacă, pe baza rezultatelor măsurătorilor anterioare, a fost posibil să se stabilească că intervalul dinamic al semnalului este mic în comparație cu domeniul semnalului de intrare ADC, atunci câștigul amplificatorului este crescut până când intervalul dinamic al semnalului corespunde cu domeniul de operare al ADC. În acest fel, este posibil să se minimizeze eroarea de eșantionare a semnalului și, în consecință, să se mărească acuratețea măsurătorilor. Modificarea amplificării semnalului la intrare este luată în considerare în software la procesarea rezultatelor măsurătorilor de către un controler digital.
Criteriile de evaluare a corespondenței dintre domeniul dinamic al semnalului și domeniul de funcționare al ADC vor fi discutate în continuare și vor fi luate în considerare și metodele de adaptare a canalului de intrare la proprietățile de frecvență ale semnalului de intrare.
2.4. Dispozitive de eșantionare și reținere
La colectarea informațiilor și conversia lor ulterioară, este adesea necesar să se stabilească valoarea unui semnal analogic pentru o anumită perioadă de timp. În acest scop, sunt utilizate dispozitive de eșantionare și stocare (SSD-uri). Un alt nume pentru astfel de dispozitive este dispozitivele de stocare analogice (AMD). Munca lor se desfășoară în două moduri. În modul de eșantionare (urmărire), aceștia trebuie să repete semnalul analog de intrare la ieșire, iar în modul de stocare, trebuie să stocheze și să scoată la ieșire ultima tensiune de intrare anterioară momentului în care dispozitivul trece în acest mod.
În cel mai simplu caz, atunci când construim un UVH, pentru a efectua aceste operații avem nevoie doar de un condensator CU XP și cheie S(Fig. 2.12. A). Când comutatorul este închis, tensiunea de pe condensator și de la ieșirea UVH va repeta intrarea. Când cheia este deschisă, tensiunea de pe condensator, a cărei valoare va fi egală cu tensiunea de intrare în momentul deschiderii cheii, va fi stocată pe ea și transmisă la ieșirea UVH.
https://pandia.ru/text/78/077/images/image030_18.jpg" width="457" height="428 src=">
Orez. 2.12. Diagrama funcțională a UVH ( A) și diagramele temporale ale funcționării acestuia ( b)
Este evident că atunci când implementare practică Nivelul de tensiune pe condensator în modul de stocare nu va rămâne constant (Fig. 2.12. b) datorita descarcarii sale prin curent la sarcina si descarcarii datorita curenților proprii de scurgere. Pentru ca tensiunea condensatorului să rămână la un nivel acceptabil cât mai mult timp posibil la ieșirea UVH, pe amplificatorul operațional este instalat un repetor ( D.A. 1 din fig. 2.12. A). După cum știți, un repetor are o impedanță de intrare mare. Acest lucru „decuplează” circuitul condensatorului și circuitul de sarcină în rezistență și reduce semnificativ descărcarea condensatorului prin sarcină. Pentru a vă reduce curenții de scurgere, trebuie să alegeți un condensator cu un dielectric de înaltă calitate. Și, desigur, pentru ca tensiunea de pe condensator să rămână constantă cât mai mult timp posibil, este necesar să se ia o capacitate cât mai mare posibil.
Când transferați UVH din modul de stocare în modul de urmărire, tensiunea condensatorului nu va atinge imediat nivelul curentului de intrare (Fig. 2.12. b). Timpul necesar pentru ca acest lucru să se întâmple va fi determinat de timpul necesar pentru încărcarea condensatorului - acest timp se numește timpul de achiziție sau timpul de eșantionare. Condensatorul se va încărca mai repede, cu atât este mai mare curentul de încărcare. Pentru ca acest curent să nu fie limitat de rezistența de ieșire a etapei precedente, este instalat și un repetor la intrarea UVH la amplificatorul operațional ( D.A. 2 din fig. 2.12. A). ÎN în acest caz, Este utilizată proprietatea că repetorul are o impedanță de ieșire scăzută. Condensatorul se va încărca mai repede, cu atât capacitatea sa este mai mică. Astfel, condițiile pentru alegerea valorii capacității condensatorului pentru funcționarea optimă a UVH în moduri diferite sunt contradictorii - capacitatea condensatorului trebuie selectată de fiecare dată pe baza cerințelor specifice pentru durata modurilor sale de funcționare.
Adeptul de intrare conduce sarcina capacitivă. Prin urmare, pentru a-l construi, se folosesc amplificatoare operaționale care sunt stabile la câștig unitar și o sarcină capacitivă mare.
Când utilizați UVH într-un ADC, timpul de stocare, de regulă, nu este cu mult mai mare decât timpul de conversie al ADC. În acest caz, valoarea condensatorului este selectată astfel încât să se obțină cel mai bun timp captura cu condiția ca scăderea de tensiune în timpul unei conversii să nu depășească valoarea bitului cel mai puțin semnificativ al ADC.
Deoarece pierderile dielectrice într-un condensator de stocare sunt una dintre sursele de erori, cel mai bine este să alegeți condensatoare cu un dielectric din polipropilenă, polistiren și teflon. Condensatoarele de mica si policarbonat au deja caracteristici foarte mediocre. Și nu ar trebui să folosiți deloc condensatori ceramici.
Caracteristicile de precizie ale UVH includ tensiunea de compensare zero, care de obicei nu depășește 5 mV (dacă un amplificator operațional cu tranzistoare bipolare la intrare; amplificator operațional cu tranzistoare cu efect de câmp la intrare, au un offset de zero mai semnificativ) și deriva tensiunii fixe la o capacitate dată a condensatorului de stocare (pentru diferite UVH-uri de la 10-3 la 10-1 V/s este normalizată la capacitate CU XP = 1.000 pF). Cantitatea de derivă poate fi redusă prin creșterea capacității CU HR. Cu toate acestea, acest lucru degradează caracteristicile dinamice ale circuitului.
Caracteristicile dinamice ale UVH includ: timpul de eșantionare, care arată cât durează, în cele mai nefavorabile condiții, procesul de încărcare a unui condensator de stocare cu un anumit nivel de toleranță; și întârzierea deschiderii - perioada dintre momentul în care tensiunea de control este îndepărtată și blocarea efectivă a cheii.
Există multe circuite integrate prelevare-depozitare, având caracteristici bune. Un număr de circuite includ un condensator de stocare intern și garantează timpi maximi de eșantionare de zeci sau sute de nanosecunde cu o precizie de 0,01% pentru un semnal de 10 V. Valoarea întârzierii deschiderii pentru UVH populare nu depășește 100 ns. Dacă sunt necesare performanțe mai mari, pot fi utilizate UVH hibride și modulare.
Ca exemplu de construcție practică a UVH din Fig. 2.13 este dat diagrama functionala BIS K1100SK2 (LF398). Circuitul are un feedback negativ general care acoperă întregul circuit - de la ieșirea repetitorului până la amplificator operațional D.A. 2 la intrarea repetitorului de pe amplificator D.A. 1.
Dating" href="/text/category/datirovanie/" rel="bookmark">datarea citirii ADC la măsurarea unui semnal variabil, în sisteme de măsurare multicanal pentru achiziția simultană de date de la diverși senzori, eliminând emisiile de înaltă frecvență în semnalul de ieșire DAC la schimbarea codului. Acestea și alte aplicații ale UVC vor fi discutate mai detaliat în materiale suplimentare.
3. CONVERTORE DIGITALE ÎN ANALOG
3.1 Metode generale de implementare
Convertoarele digital-analogic (DAC) sunt dispozitive utilizate pentru a converti codul digital într-un semnal analogic în mărime proporțională cu valoarea codului.
DAC-urile sunt utilizate pe scară largă pentru a conecta sistemele de control digital cu actuatoare și mecanisme care sunt controlate de nivelul unui semnal analogic, ca componente ale dispozitivelor și convertoarelor analog-digitale mai complexe.
În practică, DAC-urile sunt utilizate în principal pentru conversia codurilor binare, așa că discuțiile ulterioare vor fi doar despre astfel de DAC-uri.
Orice DAC se caracterizează, în primul rând, prin funcția sa de conversie, care conectează o modificare a valorii de intrare (cod digital) cu o modificare a valorii de ieșire (tensiune sau curent) Fig. 3.1.
Orez. 3.1. Funcția de conversie (caracteristica de transfer) a DAC
Analitic, funcția de conversie DAC poate fi exprimată după cum urmează (pentru cazul în care semnalul de ieșire este reprezentat de tensiune):
U OUT = ( U MAX / N MAX) N VX, unde
U OUT – valoarea tensiunii de ieșire corespunzătoare codului digital N VX furnizat intrărilor DAC.
U MAX – tensiune maximă de ieșire corespunzătoare codului maxim aplicat intrărilor N MAX.
mărimea LA DAC definit de raport U MAX/ N MAX se numește raportul de conversie digital-analogic. Constanța sa pentru întregul interval de modificări ale argumentelor determină proporționalitatea modificărilor valorii semnalului analog de ieșire cu modificările corespunzătoare ale valorii codului de intrare. De aceea, în ciuda naturii treptate a caracteristicii asociate cu o modificare discretă a valorii de intrare (cod digital), se crede că DAC-urile sunt convertoare liniare.
Dacă valoarea N VX poate fi reprezentat prin valorile greutăților biților săi, funcția de conversie DAC poate fi exprimată după cum urmează:
U OUT = DAC, unde
i– numărul de cifre al codului de intrare N VX;
A i – valoare i a-a cifră (zero sau unu);
U i – greutate i-a categoriei;
n– numărul de biți ai codului de intrare (numărul de biți ai DAC-ului).
Această metodă de înregistrare a funcției de conversie reflectă în mare măsură principiul de funcționare al majorității DAC-urilor, care constă în esență în însumarea cotelor unei valori de ieșire analogică (însumarea măsurilor analogice), fiecare dintre acestea fiind proporțională cu greutatea cifrei corespunzătoare.
În general, conform metodei de construcție, DAC-urile se disting printr-o însumare ponderată a curenților, cu o însumare ponderată a tensiunilor și pe baza unui divizor de tensiune controlat de cod.
Când construiți un DAC pe baza unei însumări ponderate a curenților în conformitate cu valorile biților codului de intrare N Semnalele VX de la generatoarele de curent sunt însumate, iar semnalul de ieșire este reprezentat de curent. Construcția unui DAC pe patru biți folosind acest principiu este ilustrată în Fig. 3.2. Valorile curenților generatorului sunt selectate proporțional cu greutățile biților codului binar, adică dacă valoarea curentă a celui mai mic generator de curent corespunzător bitului cel mai puțin semnificativ al codului de intrare este egală cu eu, atunci valoarea fiecărui următor trebuie să fie de două ori mai mare decât cea precedentă - 2 eu, 4eu, 8eu. Fiecare i a-a cifră a codului de intrare N comenzi VX i-a cheie S i. Dacă i a-a cifră este egală cu unu, apoi comutatorul corespunzător este închis și apoi curentul generatorului, a cărui valoare curentă este proporțională cu greutatea acestui i a-a categorie, participă la formarea curentului de ieșire al convertorului. Astfel, se dovedește că curentul de ieșire este euN VH.
Orez. 3.2. Construcția unui DAC bazat pe însumarea ponderată a curenților
N S 1, S 2 și S 4 din diagrama din fig. 3.2 va fi închis, iar cheia S 3 – deschis. Astfel, curenți egali cu eu, 2euși 8 eu. În total, vor forma curentul de ieșire euIEȘIRE = 11eu, adică valoarea curentului de ieșire eu N VX = 11.
Când construiți un DAC pe baza unei însumări ponderate a tensiunilor în conformitate cu valorile biților codului de intrare N Semnalul de ieșire I/O al DAC este format din valorile generatoarelor de tensiune și este reprezentat de tensiune. Construcția unui DAC pe patru biți folosind acest principiu este ilustrată în Fig. 3.3. Valorile generatoarelor de tensiune sunt stabilite în conformitate cu legea distribuției binare - proporțional cu greutățile biților codului binar ( E, 2E, 4Eși 8 E). Dacă i a-a cifră a codului de intrare N BX este egal cu unu, atunci comutatorul corespunzător trebuie să fie deschis și un generator de tensiune a cărui valoare a tensiunii este proporțională cu greutatea acestuia. i-a categorie, participă la formarea tensiunii de ieșire U convertor OUT. Astfel, se dovedește că tensiunea de ieșire este U DAC OUTPUT este proporțională cu dimensiunea codului de intrare N VH.
Orez. 3.3. Construcția unui DAC bazat pe însumarea ponderată a tensiunilor
De exemplu, dacă valoarea codului de intrare N BX este egal cu unsprezece, adică în formă binară este reprezentat ca (1011), apoi cheile controlate de biții corespunzători S 1, S 2 și S 4 din diagrama din fig. 3.3 va fi deschis, iar cheia S 3 – închis. Astfel, tensiuni egale cu E, 2Eși 8 E. În total, vor forma tensiunea de ieșire U OUT = 11 eu, adică valoarea tensiunii de ieșire U OUT va fi proporțională cu valoarea codului de intrare N VX = 11.
În acest din urmă caz, DAC-ul este implementat ca un divizor de tensiune controlat de cod (Fig. 3.4).
Orez. 3.4. Construcția unui DAC bazat pe un divizor de tensiune controlat de cod
Divizorul controlat de cod este format din două brațe. Dacă lățimea de biți a DAC-ului implementat este egală cu n, atunci numărul de rezistențe din fiecare braț este 2 n. Rezistența fiecărui braț al separatorului este modificată cu ajutorul tastelor S. Tastele sunt controlate de codul unitar de ieșire al decodorului DC, iar cheile unui braț sunt controlate direct de acesta, în timp ce celelalte sunt controlate prin invertoare. Codul de ieșire al decodorului conține un număr de unități egal cu valoarea codului de intrare N VH. Nu este greu de înțeles că coeficientul de divizare al divizorului va fi întotdeauna proporțional cu valoarea codului de intrare N VH.
Ultimele două metode nu sunt utilizate pe scară largă din cauza dificultăților practice ale implementării lor. Pentru o structură DAC cu însumarea ponderată a tensiunilor, este imposibil să se implementeze generatoare de tensiune care să permită un scurtcircuit la ieșire, precum și întrerupătoare care nu au tensiuni reziduale în stare închisă. Într-o structură DAC bazată pe un divizor controlat de cod, fiecare dintre cele două brațe divizor constă din foarte un numar mare rezistențe (2 n), include același număr de chei pentru gestionarea lor și un decodor mare. Prin urmare, cu această abordare, implementarea DAC se dovedește a fi foarte greoaie. Astfel, structura principală utilizată în practică este structura DAC de însumare ponderată în curent.
3.2 DAC cu însumarea curentului ponderat
Să luăm în considerare construcția unui DAC simplu cu însumarea ponderată a curenților. În cel mai simplu caz, un astfel de DAC constă dintr-o matrice rezistivă și un set de comutatoare (Fig. 3.5).
Orez. 3.5. Implementări DAC cu matrice rezistivă
Numărul de chei și numărul de rezistențe din matrice este egal cu numărul de biți n cod de introducere N VH. Valorile rezistoarelor sunt alese proporțional cu greutățile codului binar, adică proporțional cu valorile seriei 2i,i = 1… n. Când o sursă de tensiune este conectată la un nod comun al matricei și cheile sunt închise, curentul va curge prin fiecare rezistor. Valorile curente ale rezistențelor, datorită alegerii corespunzătoare a valorilor acestora, vor fi distribuite conform legii binare, adică proporțional cu greutățile biților codului binar. La trimiterea unui cod de intrare N Tastele VX sunt pornite în funcție de valoarea biților corespunzători ai codului de intrare. Cheia este închisă dacă bitul corespunzător este egal cu unu. În acest caz, în nodul curent, curenții sunt însumați, proporțional cu greutățile acestor biți, iar mărimea curentului care curge din nod în ansamblu va fi proporțională cu valoarea codului de intrare. N VH.
Într-o astfel de structură există două noduri de ieșire. În funcție de valoarea biților codului de intrare, cheile corespunzătoare sunt conectate la nodul conectat la 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 comutatorului, iar cantitatea de curent consumată de la sursa de tensiune de referință este constantă.
Orez. 3.6. Implementări ale unui DAC bazat pe o matrice rezistivă și cu comutatoare
Un dezavantaj comun al ambelor structuri luate în considerare este raportul mare dintre cele mai mici și cele mai mari valori ale rezistențelor matriceale. În același timp, în ciuda diferenței mari de valori nominale a rezistoarelor, este necesar să se asigure aceeași eroare absolută în montarea atât a celei mai mari, cât și a celei mai mici valori ale rezistenței. Adică, precizia relativă de montare a rezistențelor mari ar trebui să fie foarte mare. Într-un design DAC integrat cu un număr de biți mai mare de zece, acest lucru este destul de dificil de realizat.
Structurile bazate pe materiale rezistive sunt lipsite de toate aceste dezavantaje. R- 2R matrici (Fig. 3.7).
Orez. 3.7. Implementări bazate pe DAC R-2R matrice rezistivă
și cu chei comutatoare
Puteți verifica că cu această construcție a matricei rezistive, curentul în fiecare ramură paralelă ulterioară este de două ori mai mic decât în cea anterioară, adică valorile lor sunt distribuite conform unei legi binare. Prezența în matrice a doar două valori ale rezistenței, care diferă cu un factor de doi, face posibilă ajustarea destul de simplă a valorilor acestora, fără a impune cerințe mari asupra preciziei relative a ajustării.
3.3 Parametrii și erorile DAC
Sistem caracteristici electrice DAC, reflectând caracteristicile construcției și funcționării lor, combină mai mult de o duzină de parametri. Mai jos sunt cele principale, recomandate pentru a fi incluse în documentația de reglementare și tehnică ca fiind cele mai comune și care descriu cel mai complet funcționarea convertorului în moduri static și dinamic.
1. Număr de biți – numărul de biți ai codului de intrare.
2. Coeficient de conversie – raportul dintre incrementul semnalului de ieșire și incrementul semnalului de intrare pentru o funcție de conversie liniară.
3. Timpul de stabilire a tensiunii sau curentului de ieșire este intervalul de timp din momentul modificării codului dat la intrarea DAC până la momentul în care tensiunea sau curentul de ieșire intră în cele din urmă într-o zonă cu o lățime egală cu greutatea. al bitului cel mai puțin semnificativ (LSB), situat simetric în raport cu valoarea de stare staționară. În fig. Figura 3.8 prezintă funcția de tranziție a DAC, arătând modificarea semnalului de ieșire DAC în timp, atunci când codul se schimbă. În plus față de timpul de decontare, caracterizează și alți parametri dinamici ai DAC - cantitatea de depășire a semnalului de ieșire, gradul de amortizare, frecvența unghiulară a procesului de decontare etc. La determinarea caracteristicilor unui anumit DAC această caracteristică este eliminat atunci când codul trece de la o valoare zero la un cod egal cu jumătate din valoarea sa maximă.
4. Frecvența maximă de conversie – cea mai mare frecvență de prelevare la care parametrii specificați respectă standardele stabilite.
Există și alți parametri care caracterizează performanța DAC-ului și caracteristicile funcționării acestuia. Acestea includ: tensiune de intrare de nivel scăzut și înalt, curent de scurgere de ieșire, curent de consum, tensiune de ieșire sau interval de curent, factor de influență al instabilității sursei de alimentare și altele.
Cei mai importanți parametri pentru un DAC sunt cei care îi determină caracteristicile de precizie, care sunt determinate de erori normalizate după mărime.
Orez. 3.8. Determinarea timpului de stabilire a semnalului de ieșire DAC
În primul rând, este necesar să distingem clar erori statice și dinamice DAC. Erorile statice sunt erorile care rămân după finalizarea tuturor proceselor tranzitorii asociate cu schimbarea codului de intrare. Erorile dinamice sunt determinate de procese tranzitorii la ieșirea DAC-ului sau a componentelor sale componente, care apar ca urmare a unei modificări a codului de intrare.
Principalele tipuri de erori DAC statice sunt definite după cum urmează.
Eroare absolută de conversie la punctul final al scalei– abaterea valorii tensiunii (curentului) de ieșire de la valoarea nominală corespunzătoare punctului final al scalei funcției de conversie. Pentru DAC-urile care funcționează cu o sursă externă de tensiune de referință, aceasta se determină fără a ține cont de eroarea introdusă de această sursă. Măsurat în unitățile celei mai puțin semnificative cifre a conversiei.
Tensiune offset zero la ieșire – tensiunea la ieșirea DAC cu un cod de intrare zero. Măsurat în unități de ordin mic. Determină deplasarea paralelă a funcției de transformare efectivă și nu introduce neliniaritate. Aceasta este o eroare aditivă.
Eroare factor de conversie(scara) – eroare multiplicativă asociată cu abaterea pantei funcției de transformare de la cea cerută.
Neliniaritate DAC– abaterea funcției de transformare efectivă de la linia dreaptă specificată. Principala cerință pentru un DAC din acest punct de vedere este monotonitatea obligatorie a caracteristicii, care determină corespondența neechivocă între semnalele de ieșire și de intrare ale convertorului. Formal, cerința monotonității este constanța semnului caracteristic al derivatului pe întreaga zonă de lucru.
Erorile de neliniaritate sunt în general împărțite în două tipuri - integrale și diferențiale.
Eroare de neliniaritate integrală– abaterea maximă a caracteristicii reale de la cea ideală. De fapt, aceasta ia în considerare funcția de transformare medie. Această eroare este determinată ca procent din intervalul final al valorii de ieșire. Neliniaritatea integrală apare din cauza diferitelor efecte neliniare care afectează funcționarea convertorului în ansamblu. Ele se manifestă cel mai clar în proiectarea integrată a convertoarelor. De exemplu, poate fi asociat cu diferite niveluri de încălzire în LSI ale unor rezistențe neliniare pentru diferite coduri de intrare.
Eroare de neliniaritate diferențială– abaterea caracteristicii reale de la cea ideală pentru valorile de cod adiacente. Aceste erori reflectă abateri nemonotone ale caracteristicilor reale de la cele ideale. Pentru a caracteriza întreaga funcție de transformare, este selectată neliniaritatea diferențială locală cu valoarea absolută maximă. Limite valori acceptabile neliniaritatea diferențială se exprimă în unități ale ponderii cifrei celei mai puțin semnificative.
Să luăm în considerare motivele apariției erorilor diferențiale și modul în care acestea afectează funcția de conversie DAC. Să ne imaginăm că toate greutățile biților din DAC sunt setate perfect exact, cu excepția greutății bitului cel mai semnificativ.
Dacă luăm în considerare succesiunea tuturor combinațiilor de coduri pentru un cod binar cu o anumită adâncime de biți, atunci modelele de formare a codului binar determină, printre altele, că în combinațiile de coduri corespunzătoare valorilor de la zero la jumătatea întregii scale (de la zero până la jumătate din valoarea maximă a codului), bitul cel mai semnificativ este întotdeauna egal cu zero, iar în combinațiile de cod care corespund valorilor de la jumătatea scării până la valoarea sa completă, cea mai semnificativă cifră este întotdeauna egală cu unu. Prin urmare, atunci când se aplică coduri corespunzătoare primei jumătate a scalei valorii codului de intrare la DAC, greutatea cifrei celei mai semnificative nu participă la formarea semnalului de ieșire, iar atunci când se aplică coduri corespunzătoare celei de-a doua jumătate, este implicat permanent. Dar dacă greutatea acestei cifre este specificată cu o eroare, atunci această eroare se va reflecta și în formarea semnalului de ieșire. Apoi acest lucru se va reflecta în funcția de conversie DAC, așa cum se arată în Fig. 3.9. A.
Orez. 3.9. Influența erorii de referință asupra funcției de conversie DAC
greutățile categoriei seniori.
Din fig. 3.9. A. se poate observa că pentru prima jumătate a valorilor codului de intrare, funcția de conversie reală DAC corespunde celei ideale, iar pentru a doua jumătate a valorilor codului de intrare, funcția de conversie reală diferă de cea ideală prin cantitatea de eroare la setarea greutății celui mai semnificativ bit. Minimizarea influenței acestei erori asupra funcției de conversie DAC poate fi realizată prin alegerea unui factor de scară de conversie care va reduce eroarea la punctul final al scalei de conversie la zero (Fig. 3.9. b). Este clar că erorile diferențiale sunt distribuite simetric față de mijlocul scalei. Acest lucru a determinat un alt nume pentru ei - erori de tip simetric. În același timp, este clar că prezența unei astfel de erori determină comportamentul nemonoton al funcției de conversie DAC.
În fig. 3.10. A. Se arată cum funcția de conversie DAC reală va diferi de cea ideală, cu condiția să nu existe erori în setarea ponderilor tuturor cifrelor, cu excepția cifrei care precedă cea mai semnificativă. Orez. 3.10. b. arată comportamentul funcției de transformare dacă este selectată componenta de scară a erorii totale (redusă la zero).
Metrologie" href="/text/category/metrologiya/" rel="bookmark">este rațional să se realizeze indicatorii metrologici într-o manieră cuprinzătoare, folosind tehnici tehnologice cu diferite metode structurale. Și atunci când se folosesc convertoare integrale gata făcute, metode structurale sunt singura caleîmbunătățirea în continuare a caracteristicilor metrologice ale sistemului de conversie.
Eroarea de compensare zero și eroarea de scară sunt ușor de corectat la ieșirea DAC. Pentru a face acest lucru, se introduce un offset constant în semnalul de ieșire, compensând decalajul caracteristicii convertorului. Scala de conversie necesară se stabilește fie prin ajustarea câștigului setat la ieșirea convertorului amplificatorului, fie prin ajustarea valorii tensiunii de referință dacă DAC-ul este unul multiplicator.
reprezintă abaterea maximă de la linia dreaptă de referință la trecerea la un cod digital adiacent la intrarea DAC (vezi Figura 2.39, d). Panta liniei de referință este determinată pe baza câștigului real al DAC. Pentru caracteristicile prezentate în fig. 2.38,
δ dn = e U j − e j + 1 100%
6. Monotonitatea caracteristicii de transformare - creşterea (scăderea) tensiunii de ieşire
Tensiunea DAC Uout cu codul de intrare crescător (descrescător) D. Dacă neliniaritatea diferențială în unități absolute este mai mare decât pasul de cuantizare h, atunci caracteristica convertorului este nemonotonă.
Neliniaritatea diferențială atinge de obicei valoarea maximă atunci când treceți la un cod adiacent, însoțită de comutarea mai multor biți (de exemplu, când treceți de la codul 01111 la codul 10000). În acest caz, poate depăși chiar etapa de cuantificare analogică, care, cu polaritatea corespunzătoare (–), va duce la nemonotonitatea caracteristicii de transfer DAC. (Pe măsură ce numărul la intrare crește, valoarea analogică la ieșire scade).
Următoarele valori ale tensiunii de ieșire au fost măsurate la ieșirea unui DAC pe 6 biți cu o tensiune nominală la scară maximă de 10 V (a se vedea tabelul 2.1).
Tabelul 2.1.
U meas. | Viteza U | U teor | ||
Să determinăm principalii parametri ai DAC-ului studiat: a) Tensiune de polarizare - +0,2 V; b) Nu există o eroare la scară completă;
c) Caracteristica DAC este nemonotonă; în cele trei cifre mai puțin semnificative există erori în suma compoziției
0,19 V. La trecerea de la codul 0111 (Uscor = 1,28) la 1000 adiacent (Uscor = 1,2), tensiunea de ieșire nu crește, ci scade.
Cu toate acestea, pentru că Suma algebrică a erorilor de biți este egală cu 0. Singura formă de neliniaritate este neliniaritatea diferențială.
7. Instabilitatea temperaturii Convertorul DA este caracterizat prin coeficienți de temperatură de eroare la scară completă și eroare de compensare zero.
Erorile la scară completă și la zero offset pot fi corectate prin calibrare (tuning). Erorile de neliniaritate nu pot fi eliminate prin mijloace simple.
2.5.2. Parametri dinamici DAC
Parametrii dinamici ai DAC sunt măsurați prin modificarea valorii analogice de ieșire atunci când valoarea codului digital la intrare se modifică brusc. Timpul procesului de tranziție crește odată cu creșterea diferenței dintre valorile convertite secvențial ale Ni. Prin urmare, parametrii dinamici ai DAC sunt de obicei determinați la valoarea maximă a diferenței dintre codurile convertite (schimbarea codurilor de la 000...000 la 111...111 și invers) și la o anumită valoare de încărcare a DAC.
1. Timp de întârziere(t zd) – interval de timp în care valoarea de ieșire x(t) se modifică cu 0,1 diferență (0,1(xj -xi)) între valorile următoare și precedente (vezi Fig. 2.40).
2. Timpul de creștere(t nr ) – interval de timp în care se modifică valoarea analogică de ieșire
variază de la x i +0,1(x j - x i) la x i +0,9(x j - x i) .
3. Ora stabilirii finale (t gura) – |
||||||||
interval de timp în care ieșirea analogică |
||||||||
valoarea x(t) trece de la creştere la stabilire |
||||||||
în limitele specificate d (de obicei ±1/2 analog |
||||||||
echivalent MR). |
||||||||
xi +0,9(xj -xi ) | ||||||||
4. Timp de comutare – suma timpilor de întârziere |
||||||||
ki și creștere. |
||||||||
5. Slew rate - rata de schimbare |
||||||||
valoare analogică în secțiunea de creștere. De obicei |
||||||||
indicat în specificațiile tehnice ale DAC cu mare |
||||||||
semnal de rulare sub formă de tensiune. Pentru un DAC cu curent |
||||||||
TPR | de ieșire, acest parametru depinde în mare măsură de |
|||||||
xi +0,1(xj -xi ) | tipul de amplificator operațional de ieșire. |
|||||||
Pentru multiplicarea DAC-urilor cu ieșire sub formă de |
||||||||
t zdt nr | t gura | tensiunea este adesea indicată de frecvența amplificatorului unității |
||||||
lățime de bandă de leniție și putere, care în |
||||||||
Cod de intrare Ni Æ Nj , ∆N= Nj -Ni | sunt determinate în principal de proprietățile amplificatorului de ieșire |
|||||||
Orez. 2.40. Parametri dinamici DAC | ||||||||
întârziere, acumulare și stabilire. | 6. Timpul de conversie (t pr) – suma timpilor |
|||||||
2.5.3. Zgomot, interferențe, derivă
1. Zgomotul la ieșirea DAC poate apărea din diverse motive cauzate de procese fizice, care apar în dispozitivele semiconductoare. Pentru a evalua calitatea unui DAC de înaltă rezoluție, se obișnuiește să se utilizeze conceptul de zgomot pătrat mediu. Ele sunt de obicei măsurate în nV/(Hz)1/2 într-o bandă de frecvență dată.
2. Emisii (zgomot puls, erori)– vârfuri sau scăderi ascuțite ale semnalului de ieșire care apar în timpul unei schimbări de valoare cod numeric la intrarea DAC, datorită deschiderii și închiderii asincrone a comutatoarelor analogice în diferiți biți DAC. De exemplu, dacă, în timpul tranziției de la codul 011...111 la codul 100...000, cheia celui mai semnificativ bit al DAC-ului se deschide mai târziu decât se închid cheile biților inferiori, atunci la ieșirea DAC va exista un semnal corespunzător codului 000...000 pentru ceva timp. Dacă această cheie se deschide mai devreme, atunci un semnal corespunzător codului 111...111 va exista la ieșirea DAC pentru o perioadă de timp.
Depășirea este tipică pentru DAC-urile de mare viteză, unde capacitățile care le-ar putea netezi sunt minimizate. O modalitate radicală de a suprima emisiile este utilizarea dispozitivelor aduce-ține. Emisiile sunt evaluate în funcție de zona lor (în pV*s).
3. Convertoare analog-digitale (ADC)
Un dispozitiv care convertește automat (măsoară și codifică) valori analogice care variază continuu în timp în valori de cod numeric echivalent se numește analog-digital convertor(ADC). Transformarea asigură că eșantioanele discrete (t i ) corespund valorii codului N ti . Conexiunea cantitativă pentru orice moment de timp t i este determinată de relație
Nti = x(ti )/∆ x ±δ Nti
unde δN ti este eroarea de conversie la un pas dat (eroarea de cuantizare sau zgomotul cuantic)
nia), și∆x este etapa de cuantizare (sau echivalentul analog al EMP).
ADC-urile sunt dispozitive care acceptă semnale de intrare continue de la dispozitive analogice și emit semnale digitale corespunzătoare potrivite pentru lucrul cu computere și alte dispozitive digitale.
ADC-urile, precum și DAC-urile, sunt utilizate pe scară largă în diverse domenii, fiind parte integrantă a instrumentelor, sistemelor și dispozitivelor digitale de măsurare pentru procesarea și afișarea informațiilor, sisteme automate monitorizare și control, dispozitive de intrare/ieșire a informațiilor computerizate etc.
De bază Parametrii ADC(interval de variație, parametri de sincronizare, erori statice) au aceeași semnificație ca și parametrii DAC corespunzători discutați în partea a doua a prelegerilor. Prin urmare, vom lua în considerare doar câteva trăsături caracteristice ale parametrilor ADC.
3.1. Parametrii ADC | ||||||||
3.1.1. Parametri statici ADC | ||||||||
Procesul fizic conversie analog-digitală constă în cuantizare și codificare. |
||||||||
Procesul de cuantificare a unei valori analogice are ca rezultat erori de cuantizare (zgomot) |
||||||||
cuantizarea ma), a cărei valoare maximă este ±1/2 unități din cifra cea mai puțin semnificativă (±1/2 EMR) |
||||||||
educator. | ||||||||
În fig. 3.1, a, prezintă caracteristicile transformării | ||||||||
niya, iar în Fig. 3.1, b - graficul erorii de cuantizare de trei ori | ||||||||
ADC în linie pentru un semnal de intrare normalizat. | ||||||||
Împreună cu eroare sistematică cuantizarea are | ||||||||
există loc pentru o eroare mai mult sau mai puțin semnificativă, | ||||||||
captat de circuit (eroare instrumentală). În- | ||||||||
eroare instrumentală ADC (la fel ca DAC) | ||||||||
din cauza imperfecțiunii elementelor individuale ale circuitului | ||||||||
noi şi influenţa asupra lor a diverşilor factori destabilizatori | U in |
|||||||
torov. Eroarea instrumentală duce la faptul că | ||||||||
Uin max |
||||||||
Caracteristicile de cuantizare ale ADC-urilor reale diferă de | ||||||||
ideal, prezentat în fig. 3.1, a. Dacă mijlocul | ||||||||
amenzile unei linii întrerupte ideale caracteristicile cuantice | ||||||||
conectați, obțineți o linie dreaptă cu o pantă unitară, | U in |
|||||||
care iese de la originea coordonatelor (în Figura 3.1, a, - întreruptă | ||||||||
linia de domiciliu). În ADC-urile reale, această linie dreaptă nu trece | Uin max |
|||||||
res zero (zero offset eroare ∆Uoffset. vezi Fig. 3.2, | ||||||||
Orez. 3.1. Caracteristici de cuantizare ADC |
||||||||
a) iar panta sa diferă de unitate (eroarea lui | (a) și graficul erorii de cuantizare (b) | |||||||
coeficient de transmisie vezi fig. 3.2, b). Coeficient de eroare | ||||||||
Coeficientul de transmisie este caracterizat de un parametru de referință numit transmisie absolută |
||||||||
eroare de conversie la punctul final al scalei (∆Umax în Fig. 3.2, b). | ||||||||
Eroarea coeficientului de transmisie în domeniul de conversie a semnalului determină o constantă |
||||||||
abaterea relativă a valorii de ieșire față de cea adevărată, iar eroarea de compensare zero este determinată de |
||||||||
produce o eroare absolută constantă. Ambele erori pot fi de obicei eliminate prin |
||||||||
stabilizarea abaterii zero și totală. Erorile rămân din cauza derivei parametrilor și a neliniarității.
În ADC-urile reale, există o abatere a caracteristicii medii de cuantizare de la ideal
direct pe întreaga gamă de modificări ale semnalului de intrare ( eroare de neliniaritate ∆U n vezi fig. 3.2, c). O altă măsură a erorii de liniaritate a transformării este neliniaritate diferenţială. Indică cât de mult diferă lățimea unui pas individual de valoarea specificată a pasului de cuantificare (determinată în același mod ca parametrul DAC corespunzător). Dacă neliniaritatea diferenţială în valoare absolută depășește treapta de cuantizare, apoi în timpul măsurării unele coduri vor fi omise (vezi Fig. 3.2, d).
∆ Umax | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
∆U offset | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
U in |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
U in | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
∆ U n. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 2 3 4 5 | U in | 1 2 3 4 5 | U in |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Uin max | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Uin max |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Orez. 3.2. Erori de conversie ADC:
a – eroare de decalaj zero; b – eroarea coeficientului de transmisie; c – neliniaritate; d – omiterea codurilor
Astfel, din punct de vedere al preciziei statice a funcționării, o caracteristică cuprinzătoare a unui ADC este ea caracteristică reală cuantizarea.
Erorile statice considerate caracterizează funcționarea convertoarelor cu semnale constante sau cvasi-constante (constante pe intervalul de conversie).
3.1.2. Parametrii ADC dinamici
1) Timpul de conversie t pr este timpul numărat de la începutul impulsului de eșantionare sau începutul conversiei până când la ieșire apare un cod stabil corespunzător unui eșantion dat. Pentru unele tipuri de ADC această valoare este variabilă, în funcție de valoarea semnalului de intrare, pentru altele este aproximativ constantă. Atunci când funcționează fără un dispozitiv de stocare de eșantionare, este timpul de deschidere. Definește rata de eșantionare (conversie) realizabilă.
Există două domenii de aplicare pentru convertoarele AD:
digital instrumente de masura(voltmetre);
procesare a semnalului.
În primul caz, se presupune că tensiunea de intrare este constantă în timpul de conversie. În procesarea semnalului, pe de altă parte, tensiunea de intrare se modifică continuu. Cu digital
În timpul prelucrării, probele de tensiune variabilă sunt prelevate la intervale regulate cu |
||||||||
puterea elementelor sample-and-hold. Aceste date sunt convertite în formă digitală |
||||||||
convertor După cum sa arătat în Capitolul 1, numai secvența de numere corespunzătoare |
||||||||
dar apoi reprezintă semnalul continuu de intrare suficient de precis atunci când teorema este valabilă |
||||||||
conteaza. Frecvența de eșantionare f d trebuie să fie de cel puțin două ori cea mai mare frecvență a semnalului. |
||||||||
la f max . Prin urmare, timpul de conversie al convertorului AD t pr trebuie să îndeplinească condiția: | ||||||||
TPR | ||||||||
f max | ||||||||
Astfel, la procesarea semnalelor, frecvența de eșantionare (și, prin urmare, cea maximă |
||||||||
frecvența spectrului semnalului) determină performanța necesară ADC. | ||||||||
Să aruncăm o privire mai atentă asupra locului ADC atunci când se efectuează operația de eșantionare. | ||||||||
Pentru semnale de bandă suficient de îngustă, operația de eșantionare poate fi efectuată folosind |
||||||||
ADC-urile înșiși și astfel se combină cu operația de cuantizare. Modelul principal este |
||||||||
discretizarea este aceea datorată timpului finit al unei transformări și incertitudinii |
||||||||
momentul încheierii sale, nu este posibil să se obțină o corespondență clară între valorile probelor și |
||||||||
momentele de timp cărora ar trebui să le fie atribuite. | ||||||||
În special, dacă semnalul se schimbă în | Uin (t) | |||||||
intrarea ADC serial aproximativ | ||||||||
atunci e zi liberă semnal digital Pot fi | U intrare max x | |||||||
ia o valoare corespunzătoare oricărei | ||||||||
la un semnal mare de intrare în interval | ||||||||
zona de schimbare a acesteia pe un interval de timp | ||||||||
TPR . Ca urmare, atunci când lucrați cu schimbare | ||||||||
Apar semnale care variază în timp | ||||||||
erori digitale, dinamice | ∆ua | |||||||
natura lor, pentru evaluarea cărora le introduc | ||||||||
deschidere | incertitudine, | |||||||
caracterizat de | deschidere | |||||||
timpul t a (vezi fig. 3.3). | ||||||||
2) Se numește timpul de deschidere | ||||||||
timpul dintre momentul fixării instantaneului | ||||||||
valoare mare a semnalului de intrare (cuplu | ||||||||
count) și momentul primirii sale digitale |
||||||||
primul echivalent. | Orez. 3.3. Formarea erorii de deschidere |
|||||||
3) Eroare care decurge din | ||||||||
discrepanța dintre semnalul de intrare și valoarea digitală convertită se numește deschidere |
||||||||
Eroare ADC ∆U a (vezi Fig. 3.3). O nepotrivire apare dacă semnalul de intrare este |
||||||||
Meniul de conversie se modifică cu mai mult decât echivalentul analogic al unității cel mai puțin semnificative |
||||||||
EMP. Astfel, cu un semnal de intrare care variază în timp, se creează incertitudine |
||||||||
care era de fapt valoarea instantanee a semnalului la momentul prelevării. | ||||||||
Efect incertitudinea deschiderii se manifestă fie ca o eroare a valorii instantanee |
||||||||
semnal în momente date de măsurare, sau ca eroare a momentului în care |
||||||||
Măsurarea se efectuează la o anumită valoare a semnalului instantaneu. Cu prelevare uniformă |
||||||||
o consecință a incertitudinii de deschidere este apariția erorilor de amplitudine, care |
||||||||
Acestea se numesc deschidere și sunt numeric egale cu creșterea semnalului în timpul de deschidere. |
||||||||
Dacă folosim o altă interpretare a efectului incertitudinii deschiderii, atunci prezența acesteia |
||||||||
conduce la „jitter” a adevăratelor momente de timp în care sunt prelevate probe de semnal, în raport cu |
||||||||
trecerea la momente egal distanțate pe axa timpului. Ca urmare, în loc de eșantionare uniformă cu |
||||||||
o perioadă strict constantă este utilizată pentru eșantionare cu o perioadă de repetare fluctuantă, |
||||||||
ceea ce duce la încălcarea condițiilor teoremei de eșantionare (prelevare uniformă) și apariția |
||||||||
erori în sisteme prelucrare digitală informații (mici modificări aleatorii ale vitezei |
||||||||
transmiterea datelor digitale). În sistemele de transmisie audio digitală, astfel de fluctuații de deschidere (sau digital |
||||||||
jitter digital) duce la o distorsiune a sunetului în timpul redării, similară cu detonația în analog |
||||||||
