Elemente DAC. Convertoare moderne digital-analogice DAC

Ministerul Educației și Științei al Ucrainei

Academia Națională Maritimă din Odesa

Departamentul de Electronică Marină

la disciplina „Sisteme de colectare și prelucrare a informațiilor telemetrice”

„Convertoare digital-analogic”

Efectuat:

set de FEM și RE

grupuri 3131

Strukov S.M.

Verificat: art. profesor

Kudelkin I.N.

Odesa – 2007

1. Introducere

2. Informații generale

3. DAC-uri seriale

4. DAC-uri paralele

5. Aplicarea DAC

6. Parametrii DAC

7. Lista referințelor

INTRODUCERE

Ultimele decenii s-au datorat introducerii pe scară largă a microelectronicii și tehnologiei informatice în economia națională, schimbul de informații cu care este asigurat de convertoare liniare analogice și digitale (ADC și DAC).

Etapa modernă se caracterizează prin circuite integrate mari și ultra-mari DAC-uri și ADC-uri cu parametri de înaltă performanță: viteză, erori mici, multi-bit. Includerea unui DAC și ADC LSI ca o singură unitate completă funcțional a simplificat foarte mult implementarea acestora în dispozitivele și instalațiile utilizate atât în cercetarea științifică, cât și în industrie și a făcut posibil schimbul rapid de informații între dispozitivele analogice și digitale.

Informații generale

Un convertor digital-analogic (DAC) este conceput pentru a converti un număr, definit de obicei ca un cod binar, într-o tensiune sau curent proporțional cu valoarea codului digital. Circuitul convertoarelor digital-analogic este foarte divers. În fig. Figura 1 prezintă o schemă de clasificare a DAC în funcție de caracteristicile circuitului său. În plus, circuitele integrate ale convertoarelor digital-analogic sunt clasificate în funcție de următoarele criterii:

o După tipul semnalului de ieșire: cu ieșire de curent și ieșire de tensiune.

o După tipul de interfață digitală: cu intrare serială și cu intrare paralelă a codului de intrare.

o După numărul de DAC-uri de pe cip: monocanal și multicanal.

o După viteză: viteză moderată și mare.

Orez. 1. Clasificare DAC

DAC-uri în serie

DAC cu modulare a lățimii impulsului

Foarte des, un DAC face parte din sistemele cu microprocesoare. În acest caz, dacă nu este necesară o viteză mare, conversia digital-analogic poate fi realizată foarte ușor folosind modularea lățimii impulsului (PWM). Circuitul DAC cu PWM este prezentat în Fig. 1a.

Orez. 1. DAC cu modulație de lățime a impulsului

Conversia digital-analogic este cel mai simplu organizată dacă microcontrolerul are o funcție de conversie încorporată a lățimii impulsului (de exemplu, AT90S8515 de la Atmel sau 87C51GB de la Intel). Ieșirea PWM controlează comutatorul S. În funcție de adâncimea de biți de conversie specificată (pentru controlerul AT90S8515, sunt posibile moduri de 8, 9 și 10 biți), controlerul, folosind temporizatorul/contorul său, generează o secvență de impulsuri, a căror durată relativă g = tȘi / T este determinată de relație

Unde N- adâncimea de biți de conversie și D- cod convertit. Un filtru trece-jos netezește impulsurile, evidențiind valoarea medie a tensiunii. Ca rezultat, tensiunea de ieșire a convertorului

Circuitul considerat asigură liniaritatea aproape ideală a conversiei și nu conține elemente de precizie (cu excepția sursei de tensiune de referință). Principalul său dezavantaj este performanța scăzută.

DAC condensator comutat în serie

Circuitul PWM DAC discutat mai sus convertește mai întâi codul digital într-un interval de timp, care este generat folosind un numărător binar cuantic cuantic, astfel încât să se obțină N- Sunt necesare conversii pe 2 biți N cuante de timp (cicluri). Circuitul DAC serial prezentat în Fig. 2 permite conversia digital-analogic să fie efectuată în mult mai puține cicluri de ceas.

În acest circuit, capacitățile condensatorului sunt CU 1 și CU 2 sunt egale. Înainte de începerea ciclului de conversie, condensatorul CU 2 se descarcă cu o cheie S 4 . Cuvântul binar de intrare este specificat ca un cod serial. Conversia sa se realizează secvenţial, pornind de la cifra cea mai puţin semnificativă d 0 . Fiecare ciclu de conversie constă din două semicicluri. În prima jumătate de ciclu condensatorul CU 1 se încarcă la tensiunea de referință U op la d 0 =1 prin închiderea cheii S 1 sau descărcări la zero la d 0 =0 prin închiderea cheii S 2. În a doua jumătate de ciclu cu cheile deschise S 1 ,S 2 și S 4 chei se inchid S 3, ceea ce face ca sarcina să se împartă la jumătate între CU 1 și CU 2. Ca rezultat obținem

U 1 (0)=U afară (0)=( d 0 /2)U op

În timp ce pe condensator CU 2 încărcarea este menținută, procedura de încărcare a condensatorului CU 1 trebuie repetat pentru următoarea cifră d 1 cuvânt de intrare. După un nou ciclu de reîncărcare, tensiunea condensatoarelor va fi

Transformarea se realizează în același mod pentru biții rămași ai cuvântului. Ca urmare pentru N-bit Tensiunea de ieșire DAC va fi egală cu

Dacă doriți să salvați rezultatul conversiei pentru o perioadă lungă de timp, ar trebui să conectați un UVH la ieșirea circuitului. După încheierea ciclului de conversie, ar trebui să efectuați un ciclu de eșantionare, să comutați UVH în modul de stocare și să începeți din nou conversia.

Astfel, circuitul prezentat transformă codul de intrare în 2 N quanta, care este semnificativ mai mică decât cea a unui DAC PWM. Aici, sunt necesari doar doi condensatori mici potriviți. Configurația părții analogice a circuitului nu depinde de adâncimea de biți a codului convertit. Cu toate acestea, în ceea ce privește viteza, un DAC serial este semnificativ inferior convertoarelor paralele digital-analogice, ceea ce îi limitează domeniul de aplicare.

Majoritatea circuitelor DAC paralele se bazează pe suma curenților, puterea fiecăruia dintre acestea fiind proporțională cu greutatea bitului binar digital și ar trebui însumați numai curenții de biți a căror valoare este egală cu 1. De exemplu, să presupunem că doriți pentru a converti un cod binar pe patru biți într-un semnal de curent analogic. Greutatea celei de-a patra cifre, cea mai semnificativă (MSD) va fi 2 3 =8, a treia cifră - 2 2 =4, a doua - 2 1 =2 și cea mai puțin semnificativă (LSB) - 2 0 =1. Dacă greutatea SZR I MZR = 1 mA, atunci I SZR = 8 mA, iar curentul maxim de ieșire al convertorului I out.max = 15 mA și corespunde codului 1111 2. Este clar că codul 1001 2, de exemplu, va corespunde cu I out = 9 mA etc. În consecință, este necesară construirea unui circuit care să asigure generarea și comutarea curenților precisi de cântărire conform legilor date. Cel mai simplu circuit care implementează acest principiu este prezentat în Fig. 3.

Rezistența rezistențelor este aleasă astfel încât atunci când întrerupătoarele sunt închise, un curent corespunzător greutății descărcării să circule prin ele. Tasta trebuie să fie închisă atunci când bitul corespunzător al cuvântului de intrare este egal cu unu. Curentul de ieșire este determinat de relația

Cu o capacitate mare de biți a DAC-ului, rezistențele de setare a curentului trebuie să fie potrivite cu o precizie ridicată. Cele mai stricte cerințe de precizie sunt impuse rezistențelor cu cifrele cele mai mari, deoarece răspândirea curenților în ele nu trebuie să depășească curentul cifrei de ordin inferior. Prin urmare, răspândirea rezistenței în descărcarea k-a ar trebui să fie mai mică decât

Din această condiție rezultă că răspândirea rezistenței rezistenței, de exemplu, în a patra cifră nu trebuie să depășească 3%, iar în a 10-a cifră - 0,05% etc.

Schema luată în considerare, cu toată simplitatea ei, are o grămadă de dezavantaje. În primul rând, pentru diferite coduri de intrare, curentul consumat de la sursa de tensiune de referință (RPS) va fi diferit, iar acest lucru va afecta valoarea tensiunii de ieșire RES. În al doilea rând, valorile rezistenței rezistențelor de greutate pot diferi de mii de ori, iar acest lucru face foarte dificilă implementarea acestor rezistențe în circuitele integrate semiconductoare. În plus, rezistența rezistențelor de ordin înalt din DAC-urile multi-biți poate fi comparabilă cu rezistența comutatorului închis, iar acest lucru va duce la o eroare de conversie. În al treilea rând, în acest circuit, se aplică o tensiune semnificativă întrerupătoarelor deschise, ceea ce complică construcția acestora.

Aceste neajunsuri au fost eliminate în circuitul DAC AD7520 (analog domestic al 572PA1), dezvoltat de Analog Devices în 1973, care este acum în esență un standard industrial (multe modele DAC în serie sunt realizate conform acestuia). Diagrama indicată este prezentată în Fig. 4. Tranzistoarele MOS sunt folosite aici ca comutatoare.

Orez. 4. Circuit DAC cu comutatoare și matrice de impedanță constantă

În acest circuit, setarea coeficienților de ponderare a treptelor convertorului se realizează prin împărțirea secvențială a tensiunii de referință folosind o matrice rezistivă de impedanță constantă. Elementul principal al unei astfel de matrice este un divizor de tensiune (Fig. 5), care trebuie să îndeplinească următoarea condiție: dacă este încărcată cu rezistența R n, atunci rezistența sa de intrare R in trebuie să ia și valoarea R n. Coeficientul de slăbire a lanțului a=U 2 /U 1 la această sarcină trebuie să aibă o valoare dată. Când aceste condiții sunt îndeplinite, obținem următoarele expresii pentru rezistențe:

Cu codificare binară a =0,5. Dacă punem R n =2R, atunci R s =R și R p =2R în conformitate cu Fig.4.

Deoarece în orice poziție a comutatoarelor S k conectează bornele inferioare ale rezistențelor la magistrala de circuit comun, sursa de tensiune de referință este încărcată cu o rezistență de intrare constantă Rin =R. Acest lucru asigură că tensiunea de referință rămâne neschimbată pentru orice cod de intrare DAC.

Conform fig. 4, curenții de ieșire ai circuitului sunt determinați de relații

și curentul de intrare

Deoarece bornele inferioare ale rezistențelor 2R ale matricei, în orice stare a comutatoarelor S k, sunt conectate la magistrala de circuit comună prin rezistența scăzută a întrerupătoarelor închise, tensiunile de pe întrerupătoare sunt întotdeauna mici, cu câțiva milivolți. . Acest lucru simplifică construcția întrerupătoarelor și a circuitelor de control și permite utilizarea tensiunilor de referință dintr-o gamă largă, inclusiv polarități diferite. Deoarece curentul de ieșire al DAC depinde liniar de U op (vezi (8)), convertoarele de acest tip pot fi utilizate pentru a multiplica semnalul analogic (aplicându-l la intrarea tensiunii de referință) cu un cod digital. Astfel de DAC-uri sunt numite DAC-uri multiplicatoare (MDAC).

Precizia acestui circuit este redusă de faptul că, pentru DAC-urile cu o capacitate mare de biți, este necesară potrivirea rezistenței R 0 a comutatoarelor cu curenții de biți. Acest lucru este important în special pentru cheile de comandă superioară. De exemplu, în DAC-ul AD7520 pe 10 biți, MOSFET-urile cheie ale celor mai importanți șase biți sunt făcute diferite ca zonă și rezistența lor R0 crește în funcție de codul binar (20, 40, 80, : , 640 Ohmi). În acest fel, căderile de tensiune între comutatoarele primilor șase biți sunt egalizate (până la 10 mV), ceea ce asigură monotonitatea și liniaritatea răspunsului tranzitoriu DAC. DAC 572PA2 pe 12 biți are o neliniaritate diferențială de până la 0,025% (1 LSB).

DAC-urile bazate pe comutatoare MOS au performanțe relativ scăzute datorită capacității mari de intrare a comutatoarelor MOS. Același 572PA2 are un timp de stabilire a curentului de ieșire la schimbarea codului de intrare de la 000...0 la 111...1, egal cu 15 μs. DAC7611 Burr-Braun pe 12 biți are un timp de reglare a tensiunii de ieșire de 10 µs. În același timp, DAC-urile bazate pe comutatoare MOS au un consum minim de energie. Același DAC7611 consumă doar 2,5 mW. Recent, modelele DAC de tipul discutat mai sus au apărut cu performanțe mai mari. Astfel, AD7943 pe 12 biți are un timp de stabilire a curentului de 0,6 μs și un consum de energie de doar 25 μW. Autoconsumul redus permite ca astfel de DAC-uri cu micro-putere să fie alimentate direct de la sursa de tensiune de referință. Mai mult, este posibil să nu aibă nici măcar un pin pentru conectarea unui ION, de exemplu, AD5321.

DAC pe surse curente

DAC-urile bazate pe surse de curent au o precizie mai mare. Spre deosebire de versiunea anterioară, în care curenții de greutate sunt formați din rezistențe de rezistență relativ scăzută și, ca urmare, depind de rezistența comutatoarelor și de sarcină, în acest caz curenții de greutate sunt furnizați de surse de curent tranzistor cu dinamică ridicată. rezistenţă. Un circuit simplificat al unui DAC folosind surse de curent este prezentat în Fig. 6.

Orez. 6. Circuit DAC pe surse de curent

Curenții de greutate sunt generați folosind o matrice rezistivă. Potențialele bazelor tranzistoarelor sunt aceleași, iar pentru ca potențialele emițătorilor tuturor tranzistorilor să fie egale, ariile emițătorilor acestora sunt făcute diferite în funcție de coeficienții de ponderare. Rezistorul din dreapta al matricei nu este conectat la magistrala comună, ca în diagrama din Fig. 4 și la două tranzistoare identice VT 0 și VT n conectate în paralel, drept urmare curentul prin VT 0 este egal cu jumătate din curentul prin VT 1. Tensiunea de intrare pentru matricea rezistivă este creată folosind tranzistorul de referință VT op și amplificatorul operațional OU1, a cărui tensiune de ieșire este setată astfel încât curentul de colector al tranzistorului VT op să ia valoarea I op. Curent de ieșire pentru DAC de N biți

Exemple tipice de DAC-uri bazate pe comutatoare de curent cu tranzistoare bipolare ca comutatoare sunt 594PA1 pe 12 biți cu un timp de stabilire de 3,5 μs și o eroare de liniaritate de cel mult 0,012% și AD565 pe 12 biți, care are un timp de stabilire de 0,2 μs cu aceeași eroare de liniaritate. AD668 are performanțe și mai mari, cu un timp de stabilire de 90 ns și aceeași eroare de liniaritate. Printre noile evoluții, putem remarca AD9764 pe 14 biți cu un timp de stabilire de 35 ns și o eroare de liniaritate de cel mult 0,01%. Etapele diferențiale bipolare în care tranzistoarele funcționează în mod activ sunt adesea folosite ca comutatoare de curent S k. Acest lucru permite reducerea timpului de așezare la câteva nanosecunde. Circuitul comutatorului de curent pentru amplificatoarele diferențiale este prezentat în Fig. 7.

Cascadele diferențiale VT 1 -VT 3 și VT" 1 -VT" 3 sunt formate din supape ESL standard. Curentul I k care curge prin terminalul colector al emițătorului de ieșire este curentul de ieșire al celulei. Dacă se aplică o tensiune de nivel înalt la intrarea digitală D k, atunci tranzistorul VT 3 se deschide și tranzistorul VT" 3 se închide. Curentul de ieșire este determinat de expresia

Precizia crește semnificativ dacă rezistorul Re este înlocuit cu o sursă de curent continuu, ca în circuitul din Fig. 6. Datorită simetriei circuitului, este posibil să se genereze doi curenți de ieșire - direct și invers. Cele mai rapide modele de astfel de DAC-uri au niveluri de intrare ESL. Un exemplu este MAX555 pe 12 biți, care are un timp de stabilire de 4 ns până la nivelul de 0,1%. Deoarece semnalele de ieșire ale unor astfel de DAC-uri acoperă domeniul de frecvență radio, ele au o impedanță de ieșire de 50 sau 75 ohmi, care trebuie să fie potrivită cu impedanța caracteristică a cablului conectat la ieșirea convertorului.

APLICAȚIE DAC

Schemele de utilizare a convertoarelor digital-analogic se referă nu numai la domeniul conversiei cod-analogic. Folosind proprietățile lor, puteți determina produsele a două sau mai multe semnale, puteți construi divizoare de funcții, legături analogice controlate de microcontrolere, cum ar fi atenuatoare, integratoare. Generatoarele de semnal, inclusiv formele de undă arbitrare, sunt, de asemenea, un domeniu important de aplicare pentru DAC-uri. Mai jos sunt câteva circuite de procesare a semnalului care includ convertoare D-A.

Manipularea numerelor semnate

Până acum, atunci când descriu convertoarele digital-analogic, informațiile digitale de intrare erau reprezentate sub formă de numere naturale (unipolare). Procesarea numerelor întregi (bipolare) are anumite caracteristici. De obicei, numerele întregi binare sunt reprezentate folosind codul complementului a doi. În acest fel, folosind opt cifre, puteți reprezenta numere în intervalul de la -128 la +127. La introducerea numerelor în DAC, acest interval de numere este mutat la 0...255 prin adăugarea a 128. Numerele mai mari de 128 sunt considerate pozitive, iar numerele mai mici de 128 sunt considerate negative. Numărul mediu 128 corespunde cu zero. Această reprezentare a numerelor semnate se numește cod deplasat. Adăugarea unui număr care este jumătate din scara completă a unui bit dat (în exemplul nostru este 128) se poate face cu ușurință prin inversarea celui mai semnificativ (semn) bit. Corespondența codurilor considerate este ilustrată în Tabel. 1.

tabelul 1

Relația dintre mărimile digitale și analogice

Pentru a obține un semnal de ieșire cu semnul corect, este necesară schimbarea inversă scăzând curentul sau tensiunea care este jumătate din scara convertorului. Acest lucru se poate face în moduri diferite pentru diferite tipuri de DAC. De exemplu, cu DAC-uri bazate pe surse de curent, domeniul de variație a tensiunii de referință este limitat, iar tensiunea de ieșire are o polaritate opusă polarității tensiunii de referință. În acest caz, modul bipolar este implementat cel mai simplu prin includerea unui rezistor de polarizare suplimentar R cm între ieșirea DAC și intrarea tensiunii de referință (Fig. 8a). Rezistorul R cm este fabricat pe un cip IC. Rezistența sa este aleasă astfel încât curentul I cm să fie jumătate din valoarea maximă a curentului de ieșire DAC.

În principiu, problema polarizării curentului de ieșire poate fi rezolvată în mod similar pentru DAC-urile bazate pe comutatoare MOS. Pentru a face acest lucru, trebuie să inversați tensiunea de referință și apoi să generați un curent de polarizare din -U op, care ar trebui să fie scăzut din curentul de ieșire DAC. Cu toate acestea, pentru a menține stabilitatea temperaturii, este mai bine să vă asigurați că curentul de polarizare este generat direct în DAC. Pentru a face acest lucru, în diagrama din Fig. 8a, este introdus un al doilea amplificator operațional și a doua ieșire a DAC este conectată la intrarea acestui amplificator operațional (Fig. 8b).

Al doilea curent de ieșire DAC,

La intrarea op-amp1, curentul I" out este însumat cu curentul I mr, corespunzător unității cifrei celei mai puțin semnificative a codului de intrare.

Curentul total este inversat. Curentul care curge prin rezistorul de feedback R os OU2 este

și atunci când

În cazul lui N=8, aceasta coincide cu datele din tabel până la un factor de 2. 6, ținând cont de faptul că pentru un convertor bazat pe MOS comută curentul maxim de ieșire

Dacă rezistențele R2 sunt bine adaptate în rezistență, atunci o modificare absolută a valorii lor cu fluctuațiile de temperatură nu afectează tensiunea de ieșire a circuitului.

Pentru convertoarele digital-analogic cu un semnal de ieșire sub formă de tensiune, construite pe o matrice rezistivă inversă (vezi Fig. 9), modul bipolar poate fi implementat mai ușor (Fig. 8c). De obicei, astfel de DAC-uri conțin un amplificator tampon de ieșire pe cip. Pentru a opera DAC într-o conexiune unipolară, borna liberă a rezistorului inferior R din circuit nu este conectată sau este conectată la un punct comun al circuitului pentru a dubla tensiunea de ieșire. Pentru a funcționa într-o conexiune bipolară, ieșirea liberă a acestui rezistor este conectată la intrarea tensiunii de referință a DAC. În acest caz, amplificatorul operațional funcționează în conexiune diferențială și tensiunea de ieșire

După cum sa menționat mai sus, convertoarele D-A bazate pe comutatoare MOS permit modificări ale tensiunii de referință într-un interval larg, inclusiv o modificare a polarității. Tensiunea de ieșire a DAC este proporțională cu produsul dintre tensiunea de referință și codul digital de intrare. Această circumstanță face posibilă utilizarea directă a unor astfel de DAC-uri pentru a multiplica un semnal analogic cu un cod digital.

Când DAC-ul este conectat unipolar, semnalul de ieșire este proporțional cu produsul dintre un semnal analog bipolar și un cod digital unipolar. Un astfel de multiplicator se numește multiplicator în două cadrane. Când DAC-ul este conectat bipolar (Fig. 8b și 8c), semnalul de ieșire este proporțional cu produsul dintre un semnal analog bipolar și un cod digital bipolar. Acest circuit poate funcționa ca un multiplicator cu patru cadrane.

Împărțirea tensiunii de intrare cu o scară digitală M D =D/2 N se realizează folosind un circuit divizor în două cadrane (Fig. 9).

În diagrama din fig. 9a, un convertor comutator MOS cu o ieșire de curent funcționează ca un convertor de tensiune la curent controlat de codul D și inclus în circuitul de feedback al amplificatorului operațional. Tensiunea de intrare este aplicată la terminalul liber al rezistenței de feedback DAC situat pe cipul IC.

În acest circuit, curentul de ieșire al DAC este

că atunci când condiţia R os = R este îndeplinită, dă

Trebuie remarcat faptul că cu codul „toate zerourile” se deschide feedback-ul. Acest mod poate fi prevenit fie prin dezactivarea unui astfel de cod în software, fie prin conectarea unui rezistor cu o rezistență egală cu R·2 N+1 între ieșirea și intrarea de inversare a amplificatorului operațional.

În Fig. 9b. Tensiunile de ieșire și de intrare ale acestui circuit sunt legate de ecuație

asta implică .

În acest circuit, amplificatorul este acoperit atât de feedback pozitiv, cât și de negativ. Pentru ca feedback-ul negativ să prevaleze (în caz contrar, amplificatorul operațional se va transforma într-un comparator), condiția D trebuie îndeplinită<2 N-1 или M D <1/2. Это ограничивает значение входного кода нижней половиной шкалы.

PARAMETRI DAC

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 (EMP), 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 (Fig. 10), care corespunde caracteristicii de transformare 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.

Orez. 10 Caracteristicile statice ale conversiei DAC

Parametri statici

Rezoluție - incrementează U la conversia valorilor adiacente D j, adică. diferit pe EMR. Acest increment este pasul de cuantificare. Pentru codurile de conversie binare, valoarea nominală a etapei de cuantizare este h=U psh /(2 N -1), unde U psh este tensiunea maximă nominală de ieșire a DAC (tensiune la scară maximă), N este capacitatea de biți a DAC. Cu cât capacitatea de biți a convertorului este mai mare, cu atât rezoluția acestuia este mai mare. Eroarea la scară completă este diferența relativă dintre valorile reale și ideale ale limitei scalei de conversie în absența offset-ului zero.

Este componenta multiplicativă a erorii totale. Uneori indicat de numărul EMP corespunzător.

Zero offset error - valoarea lui U out când codul de intrare DAC este zero. Este o componentă aditivă a erorii totale. De obicei exprimat în milivolți sau ca procent din scara completă:

Neliniaritatea este abaterea maximă a caracteristicii de conversie U out (D) de la cea optimă (linia 2 din Fig. 10). 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. 10

Neliniaritatea diferențială este modificarea maximă (ținând cont de semn) a abaterii caracteristicii reale de transformare 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 EMR. Pentru caracteristicile prezentate în fig. 10,

Monotonitatea caracteristicii de conversie este o creștere (scădere) a tensiunii de ieșire a DAC U out cu o creștere (scădere) a codului de intrare D. Dacă neliniaritatea diferențială este mai mare decât pasul de cuantificare relativă h/U psh, atunci caracteristica convertorului este nemonotonă.

Instabilitatea de temperatură a unui convertor DA este caracterizată de coeficienții 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.

Parametrii dinamici ai DAC sunt determinați de modificarea semnalului de ieșire atunci când codul de intrare se schimbă brusc, de obicei de la valoarea „toate zerourile” la „toate cele” (Fig. 11).

Orez. 11. Răspuns tranzitoriu DAC

Timpul de stabilire este intervalul de timp din momentul modificării codului de intrare (în Fig. 11 t=0) până în momentul în care egalitatea este satisfăcută pentru ultima dată.

|U out -U psh |=d/2,

cu d/2 corespunzând de obicei EMP.

Slew rate - rata maximă de schimbare a U out (t) în timpul procesului tranzitoriu. Este definit ca raportul dintre incrementul DU out și timpul Dt în timpul căruia a avut loc această creștere. De obicei specificat în specificațiile tehnice ale unui DAC cu un semnal de ieșire de tensiune. Pentru un DAC cu o 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.

LISTA REFERINȚELOR UTILIZATE

1. Federkov B.G., Telets V.A., microcircuite DAC și ADC: funcționare, parametri, aplicație. M.: Energoizdat, 1990. –320 p.

2. Valakh V.V., Grigoriev V.F., ADC-uri de mare viteză pentru măsurarea formei semnalelor aleatorii M.: Instrumente și echipamente experimentale. 1987. Nr 4 p.86-90

3. Circuite integrate de mare viteză DAC și ADC și măsurarea parametrilor acestora. Editat de Marcinkavyuches. M.: Radio și comunicații. 1988 –224 p.©

Semnalele analogice sunt caracterizate de mulți parametri tehnici, dintre care unul este: De exemplu, urechea umană aude semnale cu o frecvență în intervalul de la 1 la 22 kHz, iar lumina vizibilă conține frecvențe măsurate în miliarde de herți. Un exemplu de înregistrare a unui semnal analogic este o înregistrare de gramofon. Fotografiile, mai întâi alb-negru, apoi color, sunt, de asemenea, un exemplu de înregistrare a unui semnal analogic.

Aproape întotdeauna merită să spuneți câteva cuvinte despre asta după aceea, astfel încât sarcina pe care dispozitivele pe care le luăm în considerare este rezolvată să fie mai clară.

ADC se convertește în digital. De obicei, numărul care corespunde mărimii semnalului în momentul măsurării acestuia este reprezentat în cod binar. Fiecare măsurătoare este efectuată la o anumită frecvență, numită frecvență de cuantizare.

Frecvența minimă de cuantizare care asigură reconstrucția semnalului nedistorsionat este teoretic justificată. Acest semnal este fără distorsiuni și ar trebui restabilit la ieșirea convertorului digital-analogic. Frecvența de cuantizare trebuie să fie de cel puțin două frecvențe maxime ale semnalului convertit. De exemplu, pentru conversia nedistorsionată a unui semnal audio, este suficientă o frecvență de cuantizare de 44 kHz.

Acum este clar că are o secvență de coduri binare la intrare, pe care trebuie să le transforme în semnalul analogic corespunzător.

Fiabilitatea operațională și durata de viață sunt, de asemenea, incluse în indicatori, dar acești parametri nu depind de principiul de funcționare al DAC, ci mai degrabă de baza elementului și de calitatea construcției. Indiferent de principiul conversiei, convertoarele digital-analogic se disting prin caracteristici precum intervalul dinamic, precizia conversiei și sincronizarea.

Intervalul dinamic este determinat pentru intrarea și ieșirea DAC ca raport dintre valoarea maximă la intrare (ieșire) și valoarea minimă de intrare (ieșire).

Unul dintre parametrii de timp este reciproca frecvenței de cuantizare, numită perioadă de cuantizare. Este clar că pentru un DAC această valoare este setată de ADC-ul cu care a fost convertit semnalul.

Cantitatea principală care caracterizează performanța DAC este timpul de conversie. Aici trebuie să alegeți: timpul de conversie mai lung înseamnă un DAC mai precis, dar viteza acestuia este mai mică și invers.

Să ne uităm la câteva principii de conversie digital-analogic, fără a oferi formule și diagrame. Există două principii de conversie - secvenţială şi paralelă.

Convertorul digital-analogic convertește secvența de coduri digitale la intrare într-o secvență de impulsuri dreptunghiulare la ieșire. Lățimea impulsului și intervalul următor până la următorul impuls sunt determinate în funcție de valoarea codului binar de intrare. În consecință, la ieșirea filtrului trece-jos, se obține un semnal analogic din impulsuri care sosesc la intrare cu o perioadă variabilă.

Conversia în paralel se realizează, de exemplu, folosind rezistențe conectate în paralel la o sursă de energie stabilă. Numărul de rezistențe este egal cu adâncimea de biți a codului care ajunge la intrare. Valoarea rezistenței în categoria de ordin superior este de 2 ori mai mică decât în categoria anterioară de ordin scăzut. Există o cheie în circuitul fiecărei rezistențe. Codul de intrare controlează tastele - unde este 1, curentul curge. În consecință, în circuite curentul va fi determinat de greutatea descărcării, iar convertorul digital-analogic la ieșire are un curent total care va corespunde codului binar înregistrat.

Între lumea digitală discretă și semnalele analogice.

YouTube enciclopedic

1 / 3

✪ Cursul 26. Convertor digital-analogic R-2R

✪ Paralel ADC DAC

✪ Convertor digital-analogic

Subtitrări

Aplicație

DAC-ul este utilizat ori de câte ori este necesar să se convertească un semnal dintr-o reprezentare digitală în una analogică, de exemplu, în CD playere (Audio CD).

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 o perioadă de timp proporțională 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 echipamentele audio Hi-Fi;

Supraeșantionarea DAC, cum ar fi DAC-urile delta-sigma, se bazează pe o densitate 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 pe baza unui DAC simplu de un bit, care este practic liniar. Un DAC low-bit primește un semnal de impuls cu densitatea pulsului modulată(cu o durată constantă a impulsului, dar cu un duty cycle variabil), creat folosind feedback negativ. Feedback-ul negativ acționează ca un filtru trece-înalt pentru zgomotul de cuantizare.

Majoritatea DAC-urilor cu biți mari (mai mult de 16 biți) sunt construite pe acest principiu datorită liniarității sale ridicate și costului scăzut. Viteza DAC-ului delta-sigma atinge sute de mii de mostre pe secundă, adâncimea de biți este de până la 24 de biți. Pentru a genera un semnal modulat cu densitate de impuls, poate fi utilizat un modulator delta-sigma de ordinul întâi sau mai mare, cum ar fi MASH (Multi stage noise SHAping). Creșterea frecvenței de reeșantionare înmoaie cerințele pentru filtrul trece-jos de ieșire și îmbunătățește suprimarea zgomotului de cuantizare;

Cântărire tip DAC, în care fiecare bit al codului binar convertit corespunde unui rezistor sau unei surse de curent conectate la un punct de însumare comun. Curentul sursă (conductibilitatea rezistorului) este proporțional cu greutatea bitului căruia îi corespunde. Astfel, toți biții non-zero ai codului sunt adăugați la greutate. Metoda de cântărire este una dintre cele mai rapide, dar se caracterizează prin precizie scăzută datorită necesității unui set de multe surse de precizie sau rezistențe diferite și impedanță variabilă. Din acest motiv, DAC-urile de cântărire au o lățime maximă de opt biți;

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. Următoarele sunt cele mai importante caracteristici ale unui DAC.

Rata maximă de eșantionare- frecvența maximă la care poate funcționa DAC-ul, producând rezultatul corect la ieșire. În conformitate cu teorema lui Kotelnikov, pentru a reproduce corect un semnal analogic dintr-o formă digitală, este necesar ca frecvența de eșantionare să nu fie mai mică de 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 setează frecvența de eșantionare audio la 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 ale computerelor, frecvența de eșantionare este de 48 kHz. Semnalele eșantionate la alte frecvențe sunt reeșantionate la 48 kHz, ceea ce degradează parțial calitatea semnalului.

Caracteristici statice:
- DNL (differential nonlinearity) - caracterizează cât de mult diferă incrementul semnalului analogic obținut prin creșterea codului cu 1 bit cel mai puțin semnificativ (LSB) de valoarea corectă;
- INL (integral nonlinearity) - caracterizează cât de mult diferă caracteristica de transfer a DAC-ului de cea ideală. Caracteristica ideală este strict liniară; INL arată cât de departe este tensiunea la ieșirea DAC pentru un cod dat de caracteristica liniară; exprimat în salariu minim;
- 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 (coeficientul i-a armonic) - caracterizează raportul dintre armonica i-a și armonica fundamentală;
- THD (distorsiunea armonică) este raportul dintre puterea totală a tuturor armonicilor (cu excepția primei) și puterea primei armonici.

Convertor analog-digital(ADC, engleză Analog-to-digital converter, ADC) este un dispozitiv care convertește un semnal analogic de intrare într-un cod discret (semnal digital). Conversia inversă se face folosind un DAC (Digital to Analogue Converter, DAC).

De obicei, un ADC este un dispozitiv electronic care convertește tensiunea în cod digital binar. Cu toate acestea, unele dispozitive neelectronice cu ieșire digitală ar trebui, de asemenea, clasificate ca ADC-uri, cum ar fi unele tipuri de convertoare unghi-cod. Cel mai simplu ADC binar pe un singur bit este comparatorul.

Permisiune

Rezoluția unui ADC - modificarea minimă a mărimii unui semnal analogic care poate fi convertit de un anumit ADC - este legată de capacitatea sa de biți. În cazul unei singure măsurări fără a lua în considerare zgomotul, rezoluția este direct determinată de capacitatea de biți a ADC.

Capacitatea ADC caracterizează numărul de valori discrete pe care convertorul le poate produce la ieșire. În ADC-urile binare se măsoară în biți, în ADC-urile ternare se măsoară în triți. De exemplu, un ADC binar de 8 biți este capabil să producă 256 de valori discrete (0...255), deoarece , un ADC ternar de 8 biți este capabil să producă 6561 de valori discrete, deoarece .

Rezoluția tensiunii este egală cu diferența dintre tensiunile corespunzătoare codului de ieșire maxim și minim, împărțită la numărul de valori discrete de ieșire. De exemplu:

Interval de intrare = 0 până la 10 volți

Capacitate ADC binar 12 biți: 212 = 4096 niveluri de cuantizare

Rezoluție binară a tensiunii ADC: (10-0)/4096 = 0,00244 volți = 2,44 mV

Capacitatea de biți a ADC ternar 12 trit: 312 = 531.441 nivel de cuantizare

Rezoluție ternară de tensiune ADC: (10-0)/531441 = 0,0188 mV = 18,8 µV

Interval de intrare = -10 până la +10 volți

Capacitate ADC binar 14 biți: 214 = 16384 niveluri de cuantizare

Rezoluție binară a tensiunii ADC: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 volți = 1,22 mV

Capacitatea de biți a ADC ternar 14 trit: 314 = 4.782.969 niveluri de cuantizare

Rezoluție ternară de tensiune ADC: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 mV = 4,18 µV

În practică, rezoluția unui ADC este limitată de raportul semnal-zgomot al semnalului de intrare. Când intensitatea zgomotului la intrarea ADC este mare, distincția între nivelurile de semnal de intrare adiacente devine imposibilă, adică rezoluția se deteriorează. În acest caz, rezoluția efectiv realizabilă este descrisă de numărul efectiv de biți (ENOB), care este mai mic decât capacitatea reală de biți a ADC. La conversia unui semnal extrem de zgomotos, biții de ordin inferior ai codului de ieșire sunt practic inutili, deoarece conțin zgomot. Pentru a atinge adâncimea de biți declarată, raportul S/N al semnalului de intrare trebuie să fie de aproximativ 6 dB pentru fiecare bit de adâncime de biți (6 dB corespunde unei schimbări de patru ori a nivelului semnalului).

Tipuri de conversie

Conform metodei algoritmilor utilizate, ADC-urile sunt împărțite în:

Căutare directă secvenţială

Aproximare succesivă

Serial cu modulație sigma-delta

O singură etapă paralelă

Paralel în două sau mai multe trepte (conveior)

Caracteristica de transfer a unui ADC este dependența echivalentului numeric al codului binar de ieșire de mărimea semnalului analogic de intrare. Ei vorbesc despre ADC-uri liniare și neliniare. Această împărțire este condiționată. Ambele caracteristici de transmisie sunt treptate. Dar pentru ADC-urile „liniare” este întotdeauna posibil să se tragă o linie dreaptă astfel încât toate punctele caracteristicii de transfer corespunzătoare valorilor de intrare delta*2^k (unde delta este pasul de eșantionare, k se află în intervalul 0. .N, unde N este adâncimea de biți ADC) sunt echidistante de acesta.

Precizie

Există mai multe surse de eroare ADC. Erorile de cuantizare și (presupunând că ADC-ul trebuie să fie liniar) neliniaritățile sunt inerente în orice conversie analog-digitală. În plus, există așa-numitele erori de deschidere care sunt o consecință a fluctuației generatorului de ceas; ele apar la conversia semnalului în ansamblu (și nu doar a unui eșantion).

Aceste erori sunt măsurate în unități numite LSB - bitul cel mai puțin semnificativ. În exemplul de mai sus al unui ADC binar pe 8 biți, eroarea în 1 LSB este 1/256 din domeniul complet al semnalului, adică 0,4%, în ADC-ul ternar pe 5 trit, eroarea în 1 LSB este 1/243 din gama completă a semnalului, adică 0,412%, într-un ADC ternar de 8 trite, eroarea în 1 LSB este 1/6561, adică 0,015%.

Tipuri de ADC-uri

Următoarele sunt principalele metode de construire a ADC-urilor electronice:

ADC de conversie directă:

ADC-urile de conversie directă paralelă, care sunt ADC-uri complet paralele, conțin un comparator pentru fiecare nivel de semnal de intrare discret. În orice moment, numai comparatoarele care corespund nivelurilor sub nivelul semnalului de intrare produc un semnal în exces la ieșire. Semnalele de la toate comparatoarele merg fie direct la un registru paralel, apoi codul este procesat în software, fie la un encoder logic hardware, care generează codul digital necesar în hardware în funcție de codul de la intrarea codificatorului. Datele de la codificator sunt înregistrate într-un registru paralel. Rata de eșantionare a ADC-urilor paralele, în general, depinde de caracteristicile hardware ale elementelor analogice și logice, precum și de rata de eșantionare necesară.

ADC-urile de conversie directă paralelă sunt cele mai rapide, dar de obicei au o rezoluție de cel mult 8 biți, deoarece implică costuri hardware mari (comparatoare). ADC-urile de acest tip au o dimensiune foarte mare a cipului, o capacitate mare de intrare și pot produce erori pe termen scurt la ieșire. Folosite adesea pentru semnale video sau alte semnale de înaltă frecvență, acestea sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în industrie pentru a monitoriza procesele care se schimbă rapid în timp real.

Operarea în conductă a ADC-urilor este utilizată în ADC-urile paralel-seriale de conversie directă, spre deosebire de modul obișnuit de funcționare a ADC-urilor paralel-seriale de conversie directă, în care datele sunt transmise după conversia completă; în operarea în conductă, datele conversiilor parțiale sunt transmise pe măsură ce sunt gata până la sfârșitul conversiei complete.

Un ADC de aproximare succesivă, sau ADC echilibrat pe biți, conține un comparator, un DAC auxiliar și un registru de aproximare succesiv. ADC-ul convertește semnalul analogic într-un semnal digital în N pași, unde N este adâncimea de biți ADC. La fiecare pas, se determină un bit din valoarea digitală dorită, începând de la SZR și terminând cu LZR. Secvența de acțiuni pentru a determina următorul bit este următoarea. DAC-ul auxiliar este setat la o valoare analogică formată din biții deja determinați în pașii anteriori; bitul care trebuie determinat la acest pas este setat la 1, biții inferiori sunt setați la 0. Valoarea obținută la DAC auxiliar este comparată cu valoarea analogică de intrare. Dacă valoarea semnalului de intrare este mai mare decât valoarea de pe DAC-ul auxiliar, atunci bitul care trebuie determinat primește valoarea 1, în caz contrar 0. Astfel, determinarea valorii digitale finale seamănă cu o căutare binară. Acest tip de ADC are atât viteză mare, cât și rezoluție bună. Cu toate acestea, în absența unui dispozitiv de eșantionare de stocare, eroarea va fi mult mai mare (imaginați-vă că după ce cea mai mare cifră a fost digitalizată, semnalul a început să se schimbe).

ADC-urile cu codificare diferențială (ADC-uri cu codificare delta) conțin un contor invers, al cărui cod este trimis către DAC-ul auxiliar. Semnalul de intrare și semnalul de la DAC auxiliar sunt comparați folosind un comparator. Datorită feedback-ului negativ de la comparator la contor, codul de pe contor se schimbă constant, astfel încât semnalul de la DAC auxiliar să difere cât mai puțin posibil de semnalul de intrare. După un timp, diferența de semnal devine mai mică decât valoarea minimă, iar codul contor este citit ca semnal digital de ieșire al ADC. ADC-urile de acest tip au o gamă de semnal de intrare foarte mare și o rezoluție mare, dar timpul de conversie depinde de semnalul de intrare, deși este limitat de sus. În cel mai rău caz, timpul de conversie este egal cu Tmax=(2q)/fс, unde q este capacitatea de biți ADC, fс este frecvența generatorului de ceas contor. ADC-urile de codificare diferențială sunt de obicei o alegere bună pentru digitizarea semnalelor din lumea reală, deoarece majoritatea semnalelor din sistemele fizice nu sunt predispuse la schimbări bruște. Unele ADC-uri folosesc o abordare combinată: codificare diferențială și aproximare succesivă; acest lucru funcționează bine mai ales în cazurile în care componentele de înaltă frecvență din semnal sunt cunoscute a fi relativ mici.

ADC-urile de comparație cu un semnal din dinți de ferăstrău (unele ADC-uri de acest tip se numesc ADC-uri integratoare, includ și ADC-uri de numărare în serie) conțin un generator de tensiune dinți de ferăstrău (într-un ADC de numărare în serie un generator de tensiune în trepte format dintr-un contor și un DAC), un comparator și un numărător de timp. Semnalul dinți de ferăstrău crește liniar de la nivelul inferior la cel superior, apoi scade rapid la nivelul inferior. În momentul în care începe creșterea, începe contorul de timp. Când semnalul de rampă atinge nivelul semnalului de intrare, comparatorul este declanșat și oprește contorul; valoarea este citită de la contor și furnizată la ieșirea ADC. Acest tip de ADC este cel mai simplu ca structură și conține numărul minim de elemente. În același timp, cele mai simple ADC-uri de acest tip au o precizie destul de scăzută și sunt sensibile la temperatură și la alți parametri externi. Pentru a crește precizia, un generator de rampă poate fi construit în jurul unui contor și a unui DAC auxiliar, dar această structură nu are alte avantaje față de ADC-urile de aproximare succesivă și ADC-urile de codificare diferențială.

ADC-urile cu echilibrare a încărcăturii (acestea includ ADC-uri cu integrare în două etape, ADC-uri cu integrare în mai multe etape și altele) conțin un generator de curent stabil, un comparator, un integrator de curent, un generator de ceas și un contor de impulsuri. Transformarea are loc în două etape (integrare în două etape). În prima etapă, valoarea tensiunii de intrare este convertită într-un curent (proporțional cu tensiunea de intrare), care este furnizat integratorului de curent, a cărui sarcină este inițial zero. Acest proces durează un timp TN, unde T este perioada generatorului de ceas, N este o constantă (un întreg mare care determină timpul de acumulare a sarcinii). După acest timp, intrarea integratorului este deconectată de la intrarea ADC și conectată la un generator de curent stabil. Polaritatea generatorului este de așa natură încât reduce sarcina acumulată în integrator. Procesul de descărcare continuă până când sarcina din integrator scade la zero. Timpul de descărcare este măsurat prin numărarea impulsurilor de ceas din momentul în care începe descărcarea până când integratorul ajunge la zero. Numărul calculat de impulsuri de ceas va fi codul de ieșire ADC. Se poate demonstra că numărul de impulsuri n, numărate în timpul de descărcare, este egal cu: n=UinN(RI0)−1, unde Uin este tensiunea de intrare a ADC, N este numărul de impulsuri ale etapei de acumulare (definit mai sus), R este rezistența rezistorului care transformă tensiunea de intrare în curent, I0 este valoarea curentului de la generatorul de curent stabil, descarcând integratorul în a doua etapă. Astfel, parametrii sistemului potențial instabili (în primul rând capacitatea condensatorului integrator) nu sunt incluși în expresia finală. Aceasta este o consecință a procesului în două etape: erorile introduse în prima și a doua etapă se scad reciproc. Nu există cerințe stricte chiar și pentru stabilitatea pe termen lung a generatorului de ceas și a tensiunii de polarizare a comparatorului: acești parametri trebuie să fie stabili doar pentru o perioadă scurtă de timp, adică în timpul fiecărei conversii (nu mai mult de 2TN). De fapt, principiul integrării în două etape permite ca raportul dintre două cantități analogice (curent de intrare și curent de referință) să fie direct convertit într-un raport de coduri numerice (n și N în termenii definiți mai sus), practic fără erori suplimentare introduse. Lățimea tipică a acestui tip de ADC este de 10 până la 18 biți. Un avantaj suplimentar este capacitatea de a construi convertoare care sunt insensibile la interferența periodică (de exemplu, interferența de la rețeaua de alimentare) datorită integrării precise a semnalului de intrare pe un interval de timp fix. Dezavantajul acestui tip de ADC este viteza redusă de conversie. ADC-urile de echilibrare a sarcinii sunt utilizate în instrumentele de măsurare de înaltă precizie.

ADC cu conversie intermediară la rată de repetiție a pulsului. Semnalul de la senzor trece printr-un convertor de nivel și apoi printr-un convertor tensiune-frecvență. Astfel, intrarea circuitului logic în sine primește un semnal a cărui caracteristică este doar frecvența impulsului. Contorul logic primește aceste impulsuri ca intrare în timpul timpului de eșantionare, producând astfel la sfârșitul timpului de eșantionare o combinație de coduri egală numeric cu numărul de impulsuri primite de convertor în timpul timpului de eșantionare. Astfel de ADC-uri sunt destul de lente și nu foarte precise, dar sunt totuși foarte simplu de implementat și, prin urmare, au un cost scăzut.

ADC-urile Sigma-delta (numite și ADC-urile delta-sigma) efectuează conversie analog-digitală la o rată de eșantionare de multe ori mai mare decât cea necesară și, prin filtrare, lasă doar banda spectrală dorită în semnal.

ADC-urile non-electronice sunt de obicei construite pe aceleași principii.

ADC-uri comerciale

De regulă, ele sunt produse sub formă de microcircuite.

Pentru majoritatea ADC-urilor, adâncimea de biți variază de la 6 la 24 de biți, iar frecvența de eșantionare este de până la 1 MHz. ADC-uri mega- și gigahertz sunt de asemenea disponibile (februarie 2002). ADC-urile Megahertz sunt necesare în camerele video digitale, dispozitivele de captură video și tunerele TV digitale pentru a digitiza întregul semnal video. ADC-urile comerciale au de obicei o eroare de ieșire de ±0,5 până la ±1,5 LSB.

Unul dintre factorii care mărește costul cipurilor este numărul de știfturi, deoarece forțează pachetul de cip să fie mai mare și fiecare știft trebuie atașat la matriță. Pentru a reduce numărul de pini, ADC-urile care funcționează la rate scăzute de eșantionare au adesea o interfață serială. Utilizarea unui ADC cu o interfață serială permite adesea o densitate crescută de ambalare și o suprafață mai mică a plăcii.

Adesea, cipurile ADC au mai multe intrări analogice conectate în interiorul cipului la un singur ADC printr-un multiplexor analogic. Diverse modele ADC pot include dispozitive de eșantionare și menținere, amplificatoare de instrumentare sau intrare diferențială de înaltă tensiune și alte circuite similare.

Alte aplicații

Conversia analog-digitală este utilizată oriunde un semnal analogic trebuie să fie recepționat și procesat în formă digitală.

ADC-urile video speciale sunt utilizate în tunerele TV computerizate, plăcile de intrare video și camerele video pentru digitizarea semnalelor video. Intrările audio pentru microfon și linie ale computerelor sunt conectate la un ADC audio.

ADC-urile sunt parte integrantă a sistemelor de achiziție de date.

ADC-urile de aproximare succesive cu o capacitate de 8-12 biți și ADC-urile sigma-delta cu o capacitate de 16-24 de biți sunt încorporate în microcontrolere cu un singur cip.

Sunt necesare ADC-uri foarte rapide în osciloscoapele digitale (se folosesc ADC-uri paralele și de conductă)

Cântarele moderne folosesc ADC-uri cu o rezoluție de până la 24 de biți, care convertesc semnalul direct de la senzorul de extensometru (ADC sigma-delta).

ADC-urile fac parte din modemurile radio și alte dispozitive de transmisie de date radio, unde sunt utilizate împreună cu un procesor DSP ca demodulator.

ADC-urile ultra-rapide sunt utilizate în sistemele de antene ale stației de bază (în așa-numitele antene SMART) și în rețelele de antene radar.

Convertor digital-analogic (DAC) - un dispozitiv pentru conversia codului digital (de obicei binar) într-un semnal analogic (curent, tensiune sau încărcare). Convertoarele digital-analogic sunt interfața dintre lumea digitală discretă și semnalele analogice.

Un convertor analog-digital (ADC) efectuează operația inversă.

Un DAC audio primește de obicei un semnal digital în modulație de cod de impuls (PCM, modulare de cod de impuls) ca intrare. Sarcina de a converti diferite formate comprimate în PCM este realizată de codecurile respective.

Aplicație

DAC-ul este utilizat ori de câte ori este necesar să se convertească un semnal dintr-o reprezentare digitală într-una analogică, de exemplu, în CD playere (CD audio).

Tipuri DAC

Cele mai comune tipuri de DAC-uri electronice sunt:

Un modulator de lățime a impulsurilor este cel mai simplu tip de DAC. O sursă stabilă de curent sau tensiune este pornită periodic pentru o perioadă de timp proporțională 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 audio Hi-Fi;

DAC-urile de supraeșantionare, cum ar fi DAC-urile delta-sigma, se bazează pe densitatea variabilă a pulsului. Supraeșantionarea vă permite să utilizați un DAC cu o adâncime de biți mai mică pentru a obține o adâncime de biți mai mare a conversiei finale; Adesea, un DAC delta-sigma este construit pe baza unui DAC simplu de un bit, care este practic liniar. Un DAC cu biți mici primește un semnal de impuls cu densitate de impuls modulată (cu o durată constantă a impulsului, dar cu un ciclu de lucru variabil), creat folosind feedback negativ. Feedback-ul negativ acționează ca un filtru trece-înalt pentru zgomotul de cuantizare.

Un DAC de tip cântărire în care fiecare bit al codului binar convertit corespunde unui rezistor sau unei surse de curent conectate la un punct de însumare comun. Curentul sursă (conductibilitatea rezistorului) este proporțional cu greutatea bitului căruia îi corespunde. Astfel, toți biții non-zero ai codului sunt adăugați la greutate. Metoda de cântărire este una dintre cele mai rapide, dar se caracterizează prin precizie scăzută datorită necesității unui set de multe surse de precizie sau rezistențe diferite și impedanță variabilă. Din acest motiv, DAC-urile de cântărire au o lățime maximă de opt biți;

DAC tip scară (circuit R-2R în lanț). În R-2R-DAC, valorile sunt create într-un circuit special format din rezistențe cu rezistențe R și 2R, numită matrice de impedanță constantă, care are două tipuri de conexiune: matrice de curent continuu și matrice de tensiune inversă. Utilizarea rezistențelor identice poate îmbunătăți semnificativ acuratețea în comparație cu un DAC de cântărire convențional, deoarece este relativ simplu să se producă un set de elemente de precizie cu aceiași parametri. DAC-urile de tip R-2R vă permit să respingeți limitările privind adâncimea de biți. Cu tăierea cu laser a rezistențelor pe un substrat, se obține o precizie de 20-22 de biți. Majoritatea timpului de conversie este petrecut în amplificatorul operațional, așa că trebuie să fie cât mai rapid posibil. Viteza DAC-ului este de câteva microsecunde sau mai puțin (adică nanosecunde);

Caracteristici

Adâncimea de biți este numărul de niveluri diferite ale semnalului de ieșire pe care DAC-ul le poate reproduce. De obicei specificat în biți; numărul de biți este logaritmul de bază 2 al numărului de niveluri. De exemplu, un DAC pe un bit este capabil să reproducă două () niveluri, iar un DAC pe opt biți poate reproduce 256 () niveluri. Adâncimea de biți este strâns legată de numărul efectiv de biți (ENOB, Numărul efectiv de biți), care arată rezoluția reală care poate fi atinsă pe un DAC dat.

Frecvența maximă de eșantionare este frecvența maximă la care poate funcționa DAC-ul, producând rezultatul corect la ieșire. Conform teoremei Nyquist-Shannon (cunoscută și ca teorema Kotelnikov), pentru a reproduce corect un semnal analogic dintr-o formă digitală, frecvența de eșantionare trebuie 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 setează rata de eșantionare audio la 44,1 kHz; Pentru a reproduce acest semnal veți avea nevoie de un DAC capabil să funcționeze la această frecvență. Plăcile de sunet ieftine pentru computere au o rată de eșantionare de 48 kHz. Semnalele eșantionate la alte frecvențe sunt reeșantionate la 48 kHz, ceea ce degradează parțial calitatea semnalului.

Monotonitatea este proprietatea unui DAC de a crește semnalul de ieșire analogic pe măsură ce codul de intrare crește.

THD+N (distorsiune armonică totală + zgomot) este o măsură a distorsiunii și a zgomotului introdus în semnal de către DAC. Exprimat ca procent din puterea armonică și zgomotul din semnalul de ieșire. Un parametru important pentru aplicațiile DAC cu semnal mic.

Intervalul dinamic este raportul dintre cele mai mari și cele mai mici semnale pe care le poate reproduce un DAC, exprimat în decibeli. Acest parametru este legat de adâncimea de biți și de pragul de zgomot.

Caracteristici statice:

DNL (differential nonlinearity) - caracterizează cât de mult diferă incrementul semnalului analogic obținut prin creșterea codului cu 1 bit cel mai puțin semnificativ (LSB) de valoarea corectă;

INL (integral nonlinearity) - caracterizează cât de mult diferă caracteristica de transfer a DAC-ului de cea ideală. Caracteristica ideală este strict liniară; INL arată cât de departe este tensiunea la ieșirea DAC pentru un cod dat de caracteristica liniară; exprimat în salariu minim;

câştig;

părtinire.

Caracteristici de frecventa:

SNDR (signal-to-noise + distortion ratio) - caracterizează în decibeli raportul dintre puterea semnalului de ieșire și puterea totală a zgomotului și distorsiunea armonică;

HDi (coeficientul i-a armonic) - caracterizează raportul dintre armonica i-a și armonica fundamentală;

THD (factor de distorsiune armonică) - raportul dintre puterea totală a tuturor armonicilor (cu excepția primei) și puterea primei armonici

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 capacitatea de biți a convertorului este mai mare, 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 este 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 – modificarea maximă (ținând cont de semn) a abaterii caracteristicii reale de transformare 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 EMR. 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.

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 – rata maximă de modificare a 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. De obicei specificat în specificațiile tehnice ale unui DAC cu un semnal de ieșire de tensiune. Pentru convertoarele digital-analogic cu ieșire de curent, acest parametru depinde în mare măsură de tipul de amplificator operațional de ieșire.

În figura 5.4 sunt prezentate două metode de liniarizare, din care rezultă că metoda de liniarizare pentru obținerea valorii minime a lui D l, prezentată 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 a convertorului 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 convertorul (D), definit 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.