Bao gồm một DAC. Bộ chuyển đổi analog sang digital và digital sang analog. Đặc tính tĩnh của DAC

Bộ Giáo dục và Khoa học Ukraine

Học viện Hàng hải Quốc gia Odessa

Khoa Điện tử Hàng hải

trong môn học “Hệ thống thu thập và xử lý thông tin từ xa”

"Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự"

Hoàn thành:

tập hợp FEM và RE

nhóm 3131

Strukov S.M.

Đã kiểm tra: Nghệ thuật. giáo viên

Kudelkin I.N.

Odessa – 2007

1. Giới thiệu

2. Thông tin chung

3. DAC nối tiếp

4. DAC song song

5. Ứng dụng DAC

6. Thông số DAC

7. Danh sách tài liệu tham khảo

GIỚI THIỆU

Những thập kỷ gần đây đã được thúc đẩy triển khai rộng rãi trong lĩnh vực vi điện tử và vi điện tử trong nền kinh tế quốc dân công nghệ máy tính, trao đổi thông tin được cung cấp bởi tín hiệu tương tự tuyến tính và bộ chuyển đổi kỹ thuật số(ADC và DAC).

Sân khấu hiện đại được đặc trưng bởi sân khấu lớn và cực lớn mạch tích hợp DAC và ADC có thông số hiệu suất cao: tốc độ, lỗi nhỏ, đa bit. Việc đưa LSI DAC và ADC thành một đơn vị hoàn chỉnh về mặt chức năng đã đơn giản hóa đáng kể việc triển khai chúng trong các thiết bị và hệ thống lắp đặt được sử dụng cả trong nghiên cứu khoa học cũng như trong công nghiệp và khiến điều đó trở nên khả thi trao đổi nhanh chóng thông tin giữa các thiết bị analog và kỹ thuật số.

Thông tin chung

Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) được thiết kế để chuyển đổi một số, thường được định nghĩa là mã nhị phân, thành điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với giá trị của mã kỹ thuật số. Thiết kế mạch bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự rất đa dạng. Trong bộ lễ phục. Hình 1 cho thấy sơ đồ phân loại của DAC theo đặc điểm mạch của nó. Ngoài ra, IC chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự còn được phân loại theo các tiêu chí sau:

o Theo loại tín hiệu đầu ra: có đầu ra dòng điện và đầu ra điện áp.

o Theo loại giao diện kỹ thuật số: với đầu vào nối tiếp và với đầu vào song song mã đầu vào.

o Theo số lượng DAC trên chip: đơn kênh và đa kênh.

o Theo tốc độ: tốc độ vừa phải và cao.

Cơm. 1. Phân loại DAC

DAC nối tiếp

DAC với điều chế độ rộng xung

DAC thường được đưa vào hệ thống vi xử lý. Trong trường hợp này, nếu không cần tốc độ cao, việc chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự có thể được thực hiện rất dễ dàng bằng cách sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM). Mạch DAC với xung điện xung được hiển thị trong hình. 1a.

Cơm. 1. DAC có điều chế độ rộng xung

Chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự được tổ chức đơn giản nhất nếu bộ vi điều khiển có chức năng chuyển đổi độ rộng xung tích hợp (ví dụ: AT90S8515 từ Atmel hoặc 87C51GB từ Intel). Đầu ra xung điều khiển công tắc S. Tùy thuộc vào độ sâu bit chuyển đổi được chỉ định (đối với bộ điều khiển AT90S8515, có thể sử dụng các chế độ 8, 9 và 10 bit), bộ điều khiển, sử dụng bộ đếm thời gian/bộ đếm của nó, tạo ra một chuỗi xung, khoảng thời gian tương đối trong đó g = t Và / Tđược xác định bởi mối quan hệ

Ở đâu N- độ sâu bit chuyển đổi, và D- mã được chuyển đổi. Bộ lọc thông thấp làm mịn các xung, làm nổi bật giá trị điện áp trung bình. Kết quả là điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi

Mạch được xem xét cung cấp độ tuyến tính gần như lý tưởng của quá trình chuyển đổi và không chứa các phần tử chính xác (ngoại trừ nguồn điện áp tham chiếu). Hạn chế chính của nó là hiệu suất thấp.

DAC tụ chuyển mạch nối tiếp

Mạch DAC DAC được thảo luận ở trên chuyển đổi đầu tiên mã kỹ thuật số thành một khoảng thời gian, được hình thành bằng cách sử dụng lượng tử đếm nhị phân theo lượng tử, do đó để thu được N- Yêu cầu chuyển đổi 2 bit N lượng tử thời gian (chu kỳ). Mạch DAC nối tiếp được hiển thị trong Hình. 2 cho phép thực hiện chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự với chu kỳ xung nhịp ít hơn đáng kể.

Trong mạch này, điện dung của tụ điện là VỚI 1 và VỚI 2 đều bằng nhau. Trước khi chu kỳ chuyển đổi bắt đầu, tụ điện VỚI 2 được xả bằng chìa khóa S 4 . Từ nhị phân đầu vào được chỉ định dưới dạng mã nối tiếp. Việc chuyển đổi của nó được thực hiện tuần tự, bắt đầu từ chữ số có nghĩa nhỏ nhất d 0 . Mỗi chu kỳ chuyển đổi bao gồm hai nửa chu kỳ. Trong nửa chu kỳ đầu tụ điện VỚI 1 lần sạc vào điện áp tham chiếu bạn làm việc tại d 0 = 1 bằng cách đóng phím S 1 hoặc xả về 0 tại d 0 = 0 bằng cách đóng phím S 2. Trong nửa chu kỳ thứ hai với các phím mở S 1 ,S 2 và S 4 phím đóng S 3, làm cho điện tích chia đôi giữa VỚI 1 và VỚI 2. Kết quả là chúng tôi nhận được

bạn 1 (0)=bạn ra (0)=( d 0 /2)bạn op

Khi ở trên tụ điện VỚI 2 lần sạc được duy trì, quy trình sạc tụ điện VỚI 1 phải được lặp lại cho chữ số tiếp theo d 1 từ đầu vào. Sau một chu kỳ nạp điện mới, điện áp trên tụ sẽ là

Việc chuyển đổi được thực hiện theo cách tương tự đối với các bit còn lại của từ. Kết quả là cho N-bit DAC điện áp đầu ra sẽ bằng

Nếu bạn cần lưu kết quả của phép biến đổi theo một cách nào đó thời gian dài, UVH phải được kết nối với đầu ra của mạch. Sau khi kết thúc chu kỳ chuyển đổi, bạn nên thực hiện chu trình lấy mẫu, chuyển UVH sang chế độ lưu trữ và bắt đầu lại quá trình chuyển đổi.

Do đó, mạch được trình bày sẽ biến đổi mã đầu vào thành 2 N lượng tử, ít hơn đáng kể so với lượng tử của DAC DAC. Ở đây chỉ cần hai tụ điện nhỏ phù hợp. Cấu hình phần tương tự của mạch không phụ thuộc vào độ sâu bit của mã được chuyển đổi. Tuy nhiên, về tốc độ, DAC nối tiếp kém hơn đáng kể so với các bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự song song, điều này làm hạn chế phạm vi ứng dụng của nó.

Hầu hết các mạch DAC song song đều dựa trên tổng của các dòng điện, cường độ của mỗi dòng tỷ lệ thuận với trọng lượng của bit nhị phân kỹ thuật số và chỉ nên tính tổng các dòng bit có giá trị bằng 1. Ví dụ: giả sử bạn muốn. để chuyển đổi mã nhị phân 4 bit thành tín hiệu dòng điện tương tự. Trọng số của chữ số thứ tư, chữ số có ý nghĩa nhất (MSD) sẽ là 2 3 =8, chữ số thứ ba - 2 2 =4, chữ số thứ hai - 2 1 =2 và chữ số ít ý nghĩa nhất (LSB) - 2 0 =1. Nếu trọng lượng của SZR I MZR = 1 mA thì I SZR = 8 mA và dòng điện đầu ra tối đa của bộ chuyển đổi I out.max = 15 mA và tương ứng với mã 1111 2. Rõ ràng là mã 1001 2 chẳng hạn sẽ tương ứng với I out = 9 mA, v.v. Do đó, cần phải xây dựng một mạch đảm bảo việc tạo và chuyển đổi dòng điện cân chính xác theo các định luật nhất định. Sơ đồ đơn giản nhất, thực hiện nguyên tắc này, được thể hiện trong hình. 3.

Điện trở của các điện trở được chọn sao cho khi đóng các công tắc, một dòng điện tương ứng với trọng lượng phóng điện sẽ chạy qua chúng. Khóa phải được đóng khi bit tương ứng của từ đầu vào bằng một. Dòng điện đầu ra được xác định bởi mối quan hệ

Với dung lượng bit cao của DAC, các điện trở cài đặt dòng điện phải được kết hợp với độ chính xác cao. Các yêu cầu về độ chính xác nghiêm ngặt nhất được áp dụng cho các điện trở có chữ số cao nhất, vì độ phân tán dòng điện trong chúng không được vượt quá dòng điện của chữ số bậc thấp. Vì vậy, sự kháng cự lan rộng trong chữ số thứ k nên ít hơn

Từ điều kiện này, suy ra rằng độ rộng của điện trở, ví dụ, ở chữ số thứ tư không được vượt quá 3% và ở chữ số thứ 10 - 0,05%, v.v.

Sơ đồ được xem xét, vì tất cả sự đơn giản của nó, có rất nhiều nhược điểm. Thứ nhất, đối với các mã đầu vào khác nhau, dòng điện tiêu thụ từ nguồn điện áp tham chiếu (RPS) sẽ khác nhau và điều này sẽ ảnh hưởng đến giá trị của điện áp đầu ra RES. Thứ hai, giá trị điện trở của các điện trở trọng lượng có thể khác nhau hàng nghìn lần và điều này khiến việc triển khai các điện trở này trong IC bán dẫn trở nên rất khó khăn. Ngoài ra, điện trở của các điện trở bậc cao trong DAC nhiều bit có thể tương đương với điện trở của công tắc đóng và điều này sẽ dẫn đến lỗi chuyển đổi. Thứ ba, trong mạch này, điện áp đáng kể được đặt vào các công tắc mở, điều này làm phức tạp việc xây dựng chúng.

Những thiếu sót này đã được loại bỏ trong mạch DAC AD7520 (tương tự trong nước 572PA1), được phát triển bởi Analog Devices vào năm 1973, hiện nay về cơ bản là một tiêu chuẩn công nghiệp (nhiều mô hình sản xuấtĐẮC). Sơ đồ được chỉ định được hiển thị trong Hình. 4. Ở đây sử dụng bóng bán dẫn MOS làm công tắc.

DAC với điều chế độ rộng xung

DAC tụ chuyển mạch nối tiếp

DAC song song

DAC với tổng trọng lượng dòng điện
DAC trên các nguồn hiện tại
Sự hình thành tín hiệu đầu ra dưới dạng điện áp
DAC tụ chuyển mạch song song
DAC với tổng điện áp

Giao diện chuyển đổi D/A

DAC với giao diện nối tiếp dữ liệu đầu vào
DAC đầu vào song song

Ứng dụng DAC

Xử lý số đã ký
Hàm nhân và hàm chia
Bộ suy giảm và bộ tích hợp trên DAC
Hệ thống tổng hợp tín hiệu số trực tiếp

thông số DAC

Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự

Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) được thiết kế để chuyển đổi một số, thường được định nghĩa là mã nhị phân, thành điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với giá trị của mã kỹ thuật số. Mạch của bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự rất đa dạng. Trong bộ lễ phục. Hình 1 cho thấy sơ đồ phân loại của DAC theo đặc điểm mạch của nó. Ngoài ra, IC chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự còn được phân loại theo các tiêu chí sau:

Theo loại tín hiệu đầu ra: với đầu ra dòng điện và đầu ra điện áp
Theo loại giao diện kỹ thuật số: với đầu vào nối tiếp và đầu vào song song của mã đầu vào
Theo số lượng DAC trên chip: đơn kênh và đa kênh
Theo tốc độ: tốc độ vừa phải và cao

Cơm. 1. Phân loại DAC

DAC với tổng trọng lượng dòng điện

Hầu hết các mạch DAC song song đều dựa trên tổng của các dòng điện, cường độ của mỗi dòng tỷ lệ thuận với trọng lượng của bit nhị phân kỹ thuật số và chỉ nên tính tổng các dòng bit có giá trị bằng 1. Ví dụ: giả sử bạn muốn. để chuyển đổi mã nhị phân 4 bit thành tín hiệu dòng điện tương tự. Chữ số thứ tư, có ý nghĩa nhất (MSB) sẽ có trọng số là 2 3 =8, chữ số thứ ba sẽ có 2 2 =4, chữ số thứ hai sẽ có 2 1 =2, và chữ số có ý nghĩa nhỏ nhất sẽ có 2 0 =1. Nếu trọng lượng của MZR TÔI MZR = 1 mA thì TÔI SZR = 8 mA và dòng điện đầu ra tối đa của bộ chuyển đổi TÔIđầu ra tối đa = 15 mA và tương ứng với mã 1111 2. Rõ ràng là mã 1001 2 chẳng hạn sẽ tương ứng với TÔI ra = 9 mA, v.v. Do đó, cần phải xây dựng một mạch đảm bảo việc tạo và chuyển đổi dòng điện cân chính xác theo các định luật nhất định. Sơ đồ đơn giản nhất thực hiện nguyên tắc này được hiển thị trong Hình. 3.

VỚI Điện trở của các điện trở được chọn sao cho khi đóng công tắc, một dòng điện tương ứng với trọng lượng phóng điện sẽ chạy qua chúng. Khóa phải được đóng khi bit tương ứng của từ đầu vào bằng một. Dòng điện đầu ra được xác định bởi mối quan hệ

R/R=2 – k

Từ điều kiện này, suy ra rằng độ rộng của điện trở, ví dụ, ở chữ số thứ tư không được vượt quá 3% và ở chữ số thứ 10 – 0,05%, v.v.

Những thiếu sót này đã được loại bỏ trong mạch DAC AD7520 (tương tự trong nước 572PA1), được phát triển bởi Analog Devices vào năm 1973, hiện đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp về cơ bản (nhiều mẫu DAC nối tiếp được sản xuất theo nó). Sơ đồ được chỉ định được hiển thị trong Hình. 4. Ở đây sử dụng bóng bán dẫn MOS làm công tắc.

Cơm. 4. Mạch DAC có công tắc và ma trận trở kháng không đổi

Trong mạch này, việc thiết lập hệ số trọng số của các tầng chuyển đổi được thực hiện bằng cách chia tuần tự điện áp tham chiếu bằng ma trận điện trở có trở kháng không đổi. Thành phần chính của ma trận như vậy là bộ chia điện áp (Hình 5), phải thỏa mãn điều kiện sau: nếu nó được nạp điện trở R n thì trở kháng đầu vào của nó R inx cũng phải lấy giá trị R N. Hệ số suy yếu chuỗi = bạn 2 /bạn 1 ở tải này phải có giá trị được chỉ định. Khi các điều kiện này được đáp ứng, chúng ta thu được các biểu thức sau cho điện trở:

theo Hình 4.

Vì ở bất kỳ vị trí nào của công tắc S k chúng kết nối các cực dưới của điện trở với bus mạch chung, nguồn điện áp tham chiếu được tải với trở kháng đầu vào không đổi R trong = R. Điều này đảm bảo rằng điện áp tham chiếu không thay đổi đối với bất kỳ mã đầu vào DAC nào.

Theo hình. 4, dòng điện đầu ra của mạch được xác định bởi mối quan hệ

và dòng điện đầu vào

Vì các cực dưới của điện trở 2 R ma trận cho bất kỳ trạng thái chuyển đổi nào S kđược nối với bus mạch chung thông qua điện trở thấp của các công tắc đóng, điện áp trên các công tắc luôn nhỏ, trong khoảng vài milivolt. Điều này giúp đơn giản hóa việc xây dựng các công tắc và mạch điều khiển của chúng và cho phép sử dụng điện áp tham chiếu từ phạm vi rộng, bao gồm các cực khác nhau. Vì dòng điện đầu ra DAC phụ thuộc vào bạn op tuyến tính (xem (8)), các bộ chuyển đổi loại này có thể được sử dụng để nhân tín hiệu tương tự(áp dụng nó cho đầu vào điện áp tham chiếu) cho mã kỹ thuật số. DAC như vậy được gọi là nhân lên(MDAC).

Độ chính xác của mạch này bị giảm đi do đối với các DAC bit cao cần phải phù hợp với điện trở R 0 công tắc có dòng phóng điện. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các khóa bậc cao. Ví dụ: trong AD7520 DAC 10 bit, các MOSFET chính của sáu bit quan trọng nhất được tạo ra khác nhau về diện tích và điện trở của chúng. R 0 tăng theo mã nhị phân(20, 40, 80, …, 640 Ôm). Bằng cách này, điện áp rơi trên các công tắc của sáu bit đầu tiên được cân bằng (lên đến 10 mV), đảm bảo tính đơn điệu và tuyến tính của đáp ứng nhất thời DAC. DAC 572PA2 12 bit có độ phi tuyến vi sai lên tới 0,025% (1 LSB).

Đôi khi có vẻ như thế thế giới kỹ thuật số gần như hoàn toàn hợp nhất với thực tế. Nhưng bất chấp sự xuất hiện của các hệ thống như “gigaFLOPS”, “22 nm” và nhiều hệ thống khác thế giới thực kiên quyết vẫn giữ nguyên tính tương tự chứ không phải kỹ thuật số, và chúng tôi vẫn phải làm việc với hệ thống kỹ thuật số, trong đó thế giới hiện đại hầu như có mặt ở khắp mọi nơi.

Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự DAC chuyển đổi tín hiệu đầu vào tín hiệu kĩ thuật số vào cuối tuần tương tự. Định nghĩa về "độ chính xác" có thể khác nhau (tùy thuộc vào nhà sản xuất), nhưng chúng tôi sẽ mô tả các bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự với độ phân giải từ 8 đến 16 bit và tốc độ lên tới 10 MSa/s. Các bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự DAC này được sử dụng trong hệ thống khác nhau– thiết bị âm thanh và video, bộ điều khiển bộ xử lý, dụng cụ đo lường, hệ thống tự động hóa, hệ thống truyền động điện và nhiều hệ thống khác. Mỗi hệ thống riêng lẻ có các yêu cầu DAC riêng, chẳng hạn như độ phân giải, tĩnh và đặc tính động, điện năng tiêu thụ và những thứ khác.

Trong các thông số và mô tả kỹ thuật chỉ định lỗi bù, độ phi tuyến tính vi sai (DNL), độ phi tuyến tính tích phân (INL) và các tham số cần thiết khác để đảm bảo hiệu suất tốt trong hệ thống dòng điện một chiều, chẳng hạn như điều khiển một ổ điện hoặc một số quy trình công nghệ.

Một số ứng dụng, chẳng hạn như tạo tín hiệu hiển thị, nhấn mạnh nhu cầu về hiệu suất AC tốt, được chỉ định trong biểu dữ liệu về thời gian trễ, nhiễu và băng thông. Tự chế tạo thiết bị bằng DAC khó hơn nhiều so với việc chọn bộ chuyển đổi tín hiệu số sang analog từ danh mục, vì ngoài DAC, hệ thống sẽ bao gồm nhiều hơn nữa Linh kiện điện tử, ảnh hưởng của nó cũng phải được tính đến. Dưới đây chúng tôi sẽ cố gắng xem xét điều này.
Nội dung:

Ba kiến trúc cơ bản cho DAC chính xác

Khi chọn độ chính xác của bộ chuyển đổi D/A cho hệ thống của bạn, điều quan trọng là thông số kỹ thuật của DAC phải phù hợp với yêu cầu hệ thống. So với sự phong phú của kiến trúc bộ chuyển đổi tương tự sang số ADC Chọn bộ chuyển đổi D/A có vẻ như là một nhiệm vụ dễ dàng vì chỉ có ba kiến trúc DAC chính. Nhưng đây chỉ có vẻ là một nhiệm vụ dễ dàng vì sự khác biệt về hiệu suất của từng kiến trúc là khá đáng kể.

DAC sử dụng ba kiến trúc chính - chuỗi (nối tiếp), R-2R, DAC nhân (MDAC).

Bộ chuyển đổi chuỗi kỹ thuật số sang tương tự

Khái niệm đằng sau bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự chuỗi đến từ Lord Kelvin từ giữa những năm 1800:

Bộ giải mã đầu vào có một số công tắc, một công tắc cho mỗi tổ hợp bit. Mỗi đầu vào kỹ thuật số được kết nối với bộ khuếch đại điện áp đầu ra tương ứng.

DAC N bit bao gồm một chuỗi gồm 2 điện trở N phù hợp, cũng như nguồn điện áp ở một đầu và nối đất ở đầu kia. Một DAC ba bit (hình trên) yêu cầu tám điện trở và bảy công tắc, nhưng những con số này tăng lên rất nhiều khi độ sâu bit ngày càng tăng và đối với DAC 16 bit, bạn đã cần 65536 điện trở!!! Con số này rất lớn, ngay cả đối với hệ thống hiện đại. Để giảm số lượng điện trở, người ta sử dụng các bộ khuếch đại nội suy và các vòi cho từng điện trở riêng lẻ.

Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự chuỗi hoặc nối tiếp khá phù hợp cho hầu hết các ứng dụng chính xác như hệ thống điều khiển chuyển động. điều khiển tự động(trong động cơ servo và khi điều khiển truyền động điện).

Điện áp đầu ra DAC chuỗi ban đầu đơn điệu với độ phi tuyến vi phân (DNL) tốt, nhưng độ phi tuyến tích phân (INL) của nó không tốt lắm, vì nó phụ thuộc trực tiếp vào sai số điện trở. Từ góc độ hệ thống AC, DAC chuỗi thể hiện hiệu suất thấp hơn so với các kiến trúc khác vì chúng có mức nhiễu tương đối cao do trở kháng điện trở cao và cấu trúc chuyển mạch khiến quá trình xử lý tín hiệu chậm lại trong quá trình chuyển đổi, hạn chế tốc độ cập nhật.

Kiến trúc R-2R

Kiến trúc này là phổ biến nhất trong số các bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự và sơ đồ của nó được hiển thị bên dưới:

Kiến trúc này chỉ sử dụng các điện trở có hai điện trở khác nhau, tỷ lệ giữa chúng được xác định là 2 trên 1.

Khi một bit cụ thể được đặt, điện trở 2R tương ứng được chuyển sang vị trí V REF - H, nếu không thì nó được đặt ở vị trí V REF - L (mặt đất). Kết quả là chúng ta thu được điện áp đầu ra sẽ bằng tổng của tất cả các điện áp thang 2R.

Kiến trúc R-2R rất phù hợp để sử dụng trong các thiết bị và lắp đặt công nghiệp. Chúng chính xác hơn bộ chuyển đổi D/A chuỗi, có mức nhiễu thấp hơn do có ít điện trở hơn và có hiệu suất INL và DNL tốt hơn.

Chuyển đổi tín hiệu trong bộ chuyển đổi có kiến trúc R-2R bao gồm việc chuyển đổi chân 2R giữa V REF - H và V REF - L. Các điện trở bên trong và công tắc bên trong thiết bị không thẳng hàng hoàn hảo, điều này có thể dẫn đến một số trục trặc nhất định trong quá trình chuyển mạch.

Nhân bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự MDAC

Bộ chuyển đổi nhân MDAC cũng sử dụng kiến trúc R-2R, nhưng có điện áp tham chiếu là V REF. Sơ đồ dưới đây:

Khi bit được đặt, điện trở 2R tương ứng được kết nối với mặt đất ảo - tính tổng hoạt động khuếch đại. Đó là lý do tại sao bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự nhân tạo ra không phải điện áp mà tạo ra dòng điện, trong khi điện áp tham chiếu V REF có thể vượt quá giá trị danh định hoặc hoàn toàn âm.

Nguồn V REF được “nhìn thấy” trong MDAC sức đề kháng không đổi, bằng R, do đó luôn có dòng điện đầu ra không đổi, giúp cải thiện hiệu suất trong quá trình chuyển đổi nhanh, vì không cần phải đợi cho đến khi giá trị của điện áp tham chiếu được khôi phục. Tùy thuộc vào mã kỹ thuật số, dòng điện được chia thành tiếp điểm đầu ra và tiếp điểm mặt đất. Điều này có nghĩa là trở kháng đầu ra sẽ khác, khiến việc chọn op amp bên ngoài hơi khó khăn.

Để cải thiện hiệu suất đầu ra, MDAC bao gồm một điện trở bên trong làm phản hồi, với phản hồi nhiệt gần tương ứng với điện trở bên trong của sân khấu. Nhiễu bên trong từ bộ chuyển đổi số sang tương tự nhân lên xuất phát từ cả điện trở giai đoạn và điện trở phản hồi. Vì trở kháng đầu ra phụ thuộc vào mã nên mức tăng nhiễu cũng phụ thuộc vào nó, mặc dù mức nhiễu của MDAC thấp hơn nhiều so với DAC nối tiếp (chuỗi). Điều đáng chú ý là op-amp khuếch đại hoạt động bên ngoài có thể được kết hợp với cấp thấp tiếng ồn

Một trong những nhược điểm đó là tín hiệu đầu vào là nghịch đảo của đầu ra, do đó yêu cầu một thao tác đảo ngược bổ sung.

Hiểu các thông số hiệu suất AC

Để có được hiệu suất tối đa từ bộ chuyển đổi AC D/A, bạn cần hiểu một số vấn đề phức tạp nhất định, cũng như các bước có thể, có thể được thực hiện để tối ưu hóa.

Thời gian cần thiết để op-amp đạt được giá trị cuối cùng là một trong những chỉ số chính về chất lượng DAC. Thời gian phản hồi của bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự được hiển thị bên dưới:

Thời gian chết ( Thời gian chết): đây là thời gian cần thiết để đạt được 10% giá trị yêu cầu của tín hiệu đầu ra analog, tính từ thời điểm mã số đến bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự;
Thời gian tăng đầu ra ( thời gian xoay): thời gian cần thiết để tín hiệu đầu ra analog tăng từ 10% lên 90%;
Thời gian phục hồi và giải quyết( Thời gian hồi phục thời gian giải quyết tuyến tính): vượt mức và thiết lập tín hiệu tương tự có hình dạng nhất định;

Khi tín hiệu đầu ra analog nằm trong phạm vi lỗi có thể chấp nhận được, quá trình sẽ hoàn tất, ngay cả khi tín hiệu vẫn dao động nhưng nằm trong phạm vi lỗi có thể chấp nhận được.

Dưới đây là phản hồi nhất thời của bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự R-2R DAC988 18 bit, một kênh thực tế:

Thời gian xử lý tín hiệu được đo từ thời điểm tín hiệu LDAC xuống thấp, sau đó quá trình chuyển tiếp của hệ thống bắt đầu. Xin lưu ý rằng quá trình suy giảm tín hiệu là lâu nhất, với quá trình dài phục hồi và ảnh hưởng không đáng kể của tín hiệu tĩnh lên nó.

Lỗi chuyển đổi

Sự thay đổi lý tưởng trong tín hiệu đầu ra DAC là tăng hoặc giảm đơn điệu, nhưng trên thực tế không phải như vậy và sự thay đổi tín hiệu xảy ra đột ngột. Không giống như thời gian ổn định, lỗi chuyển mạch là do chuyển mạch bên trong không khớp (yếu tố chi phối) hoặc do ghép điện dung giữa tín hiệu đầu vào kỹ thuật số và đầu ra analog:

Sai số được đặc trưng bởi diện tích dưới xung giả dương và âm và được đo bằng vôn-giây (thường tính bằng µV∙s hoặc nV∙s).

Khi số lượng công tắc song song tăng lên thì sai số cũng tăng lên. Đây là một trong những nhược điểm của kiến trúc R-2R. Lỗi trong kiến trúc R-2R dễ nhận thấy nhất khi thay đổi tất cả các bit hoặc khi chuyển đổi các bit quan trọng nhất, khi chuyển từ 0x7FFF sang 0x8000 (đối với DAC 16 bit).

Nếu không thể giảm số lượng điện trở nối tiếp chuyển mạch thì chúng được sử dụng ở đầu ra của bộ chuyển đổi, các mạch như sau:

Hình a) hiển thị bộ lọc RC đơn giản nhất, được cài đặt ở đầu ra và cho phép bạn giảm một chút mức biên độ của lỗi đầu ra, nhưng do đó nó làm chậm tốc độ tăng của tín hiệu, do đó làm tăng thời gian trễ. Hình b) hiển thị một tùy chọn với việc thêm mẫu và giữ mạch. Có, điều này cho phép bạn giảm lỗi xuống gần như bằng 0, nhưng việc thực hiện sơ đồ như vậy là cực kỳ khó khăn vì nó đặt ra các yêu cầu nghiêm ngặt về thời gian phản hồi, cũng như đồng bộ hóa nghiêm ngặt với tốc độ làm mới DAC.

Nguồn tiếng ồn

Nhiễu là một trong những thành phần hiệu suất quan trọng nhất của bộ chuyển đổi AC D/A hiện đại. Có ba nguồn tiếng ồn chính – mạch bên trongđiện trở, bộ khuếch đại bên trong và bên ngoài, nguồn điện áp tham chiếu. Ảnh hưởng của điện trở bên trong đến nhiễu bộ chuyển đổi đã được thảo luận trước đó trong bài viết này, vì vậy chúng ta hãy xem xét hai nguồn nhiễu còn lại.

Tiếng ồn op amp bên ngoài

Đầu ra bộ khuếch đại DAC là một nguồn gây nhiễu khác. MDAC sử dụng op-amp bên ngoài, nhưng các kiến trúc khác sử dụng op-amp bên trong, điều này ảnh hưởng đến chỉ số nhiễu đầu ra tổng thể.

Nhiễu trong mạch op-amp có ba thành phần chính:

tiếng ồn 1/f hoặc tiếng ồn nhấp nháy;
nhiễu điện áp băng thông rộng hoặc nhiễu trắng;
Nhiễu điện áp và dòng điện trên điện trở;

Hai thuộc tính đầu tiên được coi là thuộc tính bên trong của chính op amp và băng thông bị giới hạn bởi chính bộ chuyển đổi D/A, giúp giảm đáng kể tác động của nhiễu băng rộng. Vì hiệu suất tốt hơn Trên AC, bạn nên chú ý đến op-amps có độ ồn 1/f thấp.

Nhiễu từ điện áp tham chiếu bên ngoài V REF

Nhiễu đầu ra của DAC trực tiếp phụ thuộc vào nhiễu ở điện áp tham chiếu, có thể là nhiễu bên ngoài hoặc bên trong. Để đảm bảo hiệu suất tối đa và độ ồn tối thiểu, cần sử dụng nguồn điện áp tham chiếu chất lượng cao. tồn tại sự lựa chọn vĩ đại nguồn điện áp tham chiếu từ một số nhà sản xuất.

Phần kết luận

Để có được hiệu suất AC tối đa từ một DAC chính xác là sự kết hợp của việc hiểu rõ các thông số kỹ thuật, chọn kiến trúc phù hợp và bổ sung các tính năng phù hợp. thành phần bên ngoài và tất nhiên là tuân theo các phương pháp đã được chứng minh để lựa chọn và tính toán các linh kiện điện tử.

Bộ Giáo dục và Khoa học Ukraine

Học viện Hàng hải Quốc gia Odessa

Khoa Điện tử Hàng hải

trong môn học “Hệ thống thu thập và xử lý thông tin từ xa”

"Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự"

Hoàn thành:

tập hợp FEM và RE

nhóm 3131

Strukov S.M.

Đã kiểm tra: Nghệ thuật. giáo viên

Kudelkin I.N.

Odessa – 2007

1. Giới thiệu

2. Thông tin chung

3. DAC nối tiếp

4. DAC song song

5. Ứng dụng DAC

6. Thông số DAC

7. Danh sách tài liệu tham khảo

GIỚI THIỆU

Những thập kỷ gần đây là do sự ra đời rộng rãi của công nghệ vi điện tử và máy tính vào nền kinh tế quốc dân, việc trao đổi thông tin được đảm bảo bởi các bộ chuyển đổi tương tự và kỹ thuật số tuyến tính (ADC và DAC).

Giai đoạn hiện đại được đặc trưng bởi các mạch tích hợp DAC và ADC lớn và cực lớn với các thông số hiệu suất cao: tốc độ, lỗi nhỏ, nhiều bit. Việc đưa LSI DAC và ADC thành một đơn vị hoàn chỉnh về chức năng đã đơn giản hóa đáng kể việc triển khai chúng trong các thiết bị và hệ thống lắp đặt được sử dụng cả trong nghiên cứu khoa học và trong công nghiệp, đồng thời giúp có thể trao đổi thông tin nhanh chóng giữa các thiết bị analog và kỹ thuật số.

Thông tin chung

Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC) được thiết kế để chuyển đổi một số, thường được định nghĩa là mã nhị phân, thành điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với giá trị của mã kỹ thuật số. Mạch của bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự rất đa dạng. Trong bộ lễ phục. Hình 1 cho thấy sơ đồ phân loại của DAC theo đặc điểm mạch của nó. Ngoài ra, IC chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự còn được phân loại theo các tiêu chí sau:

o Theo loại tín hiệu đầu ra: có đầu ra dòng điện và đầu ra điện áp.

o Theo loại giao diện kỹ thuật số: với đầu vào nối tiếp và đầu vào song song của mã đầu vào.

o Theo số lượng DAC trên chip: đơn kênh và đa kênh.

o Theo tốc độ: tốc độ vừa phải và cao.

Cơm. 1. Phân loại DAC

DAC nối tiếp

DAC với điều chế độ rộng xung

Thông thường, DAC là một phần của hệ thống vi xử lý. Trong trường hợp này, nếu không cần tốc độ cao, việc chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự có thể được thực hiện rất dễ dàng bằng cách sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM). Mạch DAC với xung điện xung được hiển thị trong hình. 1a.

Cơm. 1. DAC có điều chế độ rộng xung

DAC tụ chuyển mạch nối tiếp

Mạch DAC DAC được thảo luận ở trên trước tiên chuyển đổi mã kỹ thuật số thành một khoảng thời gian, được tạo ra bằng cách sử dụng lượng tử đếm nhị phân theo lượng tử, do đó để thu được N- Yêu cầu chuyển đổi 2 bit N lượng tử thời gian (chu kỳ). Mạch DAC nối tiếp được hiển thị trong Hình. 2 cho phép thực hiện chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự với chu kỳ xung nhịp ít hơn đáng kể.

bạn 1 (0)=bạn ra (0)=( d 0 /2)bạn op

Việc chuyển đổi được thực hiện theo cách tương tự đối với các bit còn lại của từ. Kết quả là cho N-bit DAC điện áp đầu ra sẽ bằng

Nếu bạn muốn lưu kết quả chuyển đổi trong thời gian dài, bạn nên kết nối UVH với đầu ra của mạch. Sau khi kết thúc chu kỳ chuyển đổi, bạn nên thực hiện chu trình lấy mẫu, chuyển UVH sang chế độ lưu trữ và bắt đầu lại quá trình chuyển đổi.

Hầu hết các mạch DAC song song đều dựa trên tổng của các dòng điện, cường độ của mỗi dòng tỷ lệ thuận với trọng lượng của bit nhị phân kỹ thuật số và chỉ nên tính tổng các dòng bit có giá trị bằng 1. Ví dụ: giả sử bạn muốn. để chuyển đổi mã nhị phân 4 bit thành tín hiệu dòng điện tương tự. Trọng số của chữ số thứ tư, chữ số có ý nghĩa nhất (MSD) sẽ là 2 3 =8, chữ số thứ ba - 2 2 =4, chữ số thứ hai - 2 1 =2 và chữ số ít ý nghĩa nhất (LSB) - 2 0 =1. Nếu trọng lượng của SZR I MZR = 1 mA thì I SZR = 8 mA và dòng điện đầu ra tối đa của bộ chuyển đổi I out.max = 15 mA và tương ứng với mã 1111 2. Rõ ràng là mã 1001 2 chẳng hạn sẽ tương ứng với I out = 9 mA, v.v. Do đó, cần phải xây dựng một mạch đảm bảo việc tạo và chuyển đổi dòng điện cân chính xác theo các định luật nhất định. Sơ đồ đơn giản nhất thực hiện nguyên tắc này được hiển thị trong Hình. 3.

Với dung lượng bit cao của DAC, các điện trở cài đặt dòng điện phải được kết hợp với độ chính xác cao. Các yêu cầu về độ chính xác nghiêm ngặt nhất được áp dụng cho các điện trở có chữ số cao nhất, vì độ phân tán dòng điện trong chúng không được vượt quá dòng điện của chữ số bậc thấp. Do đó, độ phân tán điện trở ở lần phóng điện thứ k phải nhỏ hơn

Từ điều kiện này, suy ra rằng độ rộng của điện trở, ví dụ, ở chữ số thứ tư không được vượt quá 3% và ở chữ số thứ 10 - 0,05%, v.v.

Cơm. 4. Mạch DAC có công tắc và ma trận trở kháng không đổi

Trong mạch này, việc thiết lập hệ số trọng số của các tầng chuyển đổi được thực hiện bằng cách chia tuần tự điện áp tham chiếu bằng ma trận điện trở có trở kháng không đổi. Thành phần chính của ma trận như vậy là một bộ chia điện áp (Hình 5), phải thỏa mãn điều kiện sau: nếu nó được nạp điện trở R n thì điện trở đầu vào R của nó cũng phải lấy giá trị R n. Hệ số suy yếu xích a=U 2 /U 1 ở tải trọng này phải có đặt giá trị. Khi các điều kiện này được đáp ứng, chúng ta thu được các biểu thức sau cho điện trở:

Tại mã hóa nhị phân a = 0,5. Nếu chúng ta đặt R n =2R thì R s =R và R p =2R theo Hình 4.

Vì ở bất kỳ vị trí nào của các công tắc S k, chúng kết nối các đầu cuối phía dưới của điện trở với bus mạch chung, nên nguồn điện áp tham chiếu được nạp với điện trở đầu vào không đổi Rin = R. Điều này đảm bảo rằng điện áp tham chiếu không thay đổi đối với bất kỳ mã đầu vào DAC nào.

Theo hình. 4, dòng điện đầu ra của mạch được xác định bởi mối quan hệ

và dòng điện đầu vào

Vì các cực dưới của điện trở 2R của ma trận, ở bất kỳ trạng thái nào của các công tắc S k, được kết nối với bus mạch chung thông qua điện trở thấp của các công tắc đóng, nên điện áp trên các công tắc luôn nhỏ, trong khoảng vài milivolt. . Điều này giúp đơn giản hóa việc xây dựng các công tắc và mạch điều khiển, đồng thời cho phép sử dụng điện áp tham chiếu trong phạm vi rộng, bao gồm các cực khác nhau. Do dòng điện đầu ra của DAC phụ thuộc tuyến tính vào U op (xem (8)), nên các bộ chuyển đổi loại này có thể được sử dụng để nhân tín hiệu tương tự (áp dụng cho đầu vào điện áp tham chiếu) với mã kỹ thuật số. Các DAC như vậy được gọi là DAC nhân (MDAC).

Độ chính xác của mạch này bị giảm đi do đối với các DAC có dung lượng bit cao, cần phải kết hợp điện trở R 0 của các công tắc với dòng điện bit. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các khóa bậc cao. Ví dụ: trong AD7520 DAC 10 bit, các bóng bán dẫn MOS chính của sáu bit quan trọng nhất được làm khác nhau về diện tích và điện trở R0 của chúng tăng theo mã nhị phân (20, 40, 80, :, 640 Ohms). Bằng cách này, điện áp rơi trên các công tắc của sáu bit đầu tiên được cân bằng (lên đến 10 mV), đảm bảo tính đơn điệu và tuyến tính của đáp ứng nhất thời DAC. DAC 572PA2 12 bit có độ phi tuyến vi sai lên tới 0,025% (1 LSB).

DAC dựa trên công tắc MOS có hiệu suất tương đối thấp do điện dung đầu vào của công tắc MOS lớn. 572PA2 tương tự có thời gian ổn định dòng điện đầu ra khi thay đổi mã đầu vào từ 000...0 thành 111...1, bằng 15 μs. DAC7611 12-bit Burr-Braun có thời gian ổn định điện áp đầu ra là 10 µs. Đồng thời, DAC dựa trên công tắc MOS có mức tiêu thụ điện năng tối thiểu. DAC7611 tương tự chỉ tiêu thụ 2,5 mW. TRONG Gần đây Các mẫu DAC thuộc loại được thảo luận ở trên với hiệu suất cao hơn đã xuất hiện. Do đó, AD7943 12 bit có thời gian xử lý hiện tại là 0,6 μs và mức tiêu thụ điện năng chỉ 25 μW. Khả năng tự tiêu thụ thấp cho phép các DAC công suất cực nhỏ như vậy được cấp nguồn trực tiếp từ nguồn điện áp tham chiếu. Hơn nữa, chúng thậm chí có thể không có đầu ra để kết nối ION, chẳng hạn như AD5321.

DAC trên các nguồn hiện tại

DAC dựa trên nguồn hiện tại có độ chính xác cao hơn. Không giống như phiên bản trước, trong đó dòng điện trọng lượng được hình thành bởi các điện trở có điện trở tương đối thấp và do đó phụ thuộc vào điện trở của công tắc và tải, trong trường hợp này dòng điện trọng lượng được cung cấp bởi các nguồn dòng điện bán dẫn có động năng cao. sức chống cự. Một mạch đơn giản hóa của DAC sử dụng nguồn dòng điện được thể hiện trong hình 2. 6.

Cơm. 6. Mạch DAC trên nguồn dòng

Dòng trọng lượng được tạo ra bằng ma trận điện trở. Điện thế của các đế của bóng bán dẫn là như nhau, và để điện thế của các bộ phát của tất cả các bóng bán dẫn bằng nhau thì diện tích của các bộ phát của chúng được làm khác nhau tùy theo hệ số trọng số. Điện trở bên phải của ma trận không được kết nối với bus chung, như trong sơ đồ trong Hình. 4 và hai bóng bán dẫn giống hệt nhau VT 0 và VT n được mắc song song, do đó dòng điện qua VT 0 bằng một nửa dòng điện qua VT 1. Điện áp đầu vào cho ma trận điện trở được tạo ra bằng cách sử dụng bóng bán dẫn tham chiếu VT op và bộ khuếch đại hoạt động OU1, điện áp đầu ra được đặt sao cho dòng thu của bóng bán dẫn VT op có giá trị I op. Dòng điện đầu ra cho DAC N-bit

Các ví dụ điển hình về DAC dựa trên các công tắc dòng điện có bóng bán dẫn lưỡng cực làm công tắc là 594PA1 12 bit với thời gian xử lý là 3,5 μs và sai số tuyến tính không quá 0,012% và AD565 12 bit, có thời gian xử lý là 0,2 μs có cùng sai số tuyến tính. AD668 thậm chí còn có hiệu suất cao hơn, với thời gian xử lý là 90 ns và cùng lỗi tuyến tính. Trong số những phát triển mới, chúng ta có thể lưu ý đến AD9764 14 bit với thời gian xử lý là 35 ns và sai số tuyến tính không quá 0,01%. Tầng vi sai lưỡng cực thường được sử dụng làm công tắc dòng điện S k, trong đó các bóng bán dẫn hoạt động theo chế độ hoạt động. Điều này cho phép thời gian xử lý giảm xuống còn vài nano giây. Mạch chuyển đổi dòng điện cho bộ khuếch đại vi sai được hiển thị trong Hình 2. 7.

Dòng vi sai VT 1 -VT 3 và VT" 1 -VT" 3 được hình thành từ các van ESL tiêu chuẩn. Dòng điện I k chạy qua cực thu của bộ phát đầu ra là dòng điện đầu ra của tế bào. Nếu đặt điện áp vào đầu vào số D k cấp độ cao, khi đó Transistor VT 3 mở ra và Transistor VT" 3 đóng lại. Dòng điện ra được xác định bởi biểu thức

Độ chính xác tăng lên đáng kể nếu điện trở R e được thay thế bằng nguồn dòng điện một chiều, như trong mạch ở hình 2. 6. Do tính đối xứng của mạch, có thể tạo ra hai dòng điện đầu ra - một chiều và nghịch đảo. Các mẫu DAC nhanh nhất như vậy có mức đầu vào ESL. Một ví dụ là MAX555 12 bit, có thời gian xử lý là 4 ns đến mức 0,1%. Vì tín hiệu đầu ra của các DAC như vậy bao trùm dải tần số vô tuyến nên chúng có trở kháng đầu ra là 50 hoặc 75 ohm, phải phù hợp với trở kháng sóng cáp kết nối với đầu ra bộ chuyển đổi.

ĐẮC ỨNG DỤNG

Các sơ đồ sử dụng bộ chuyển đổi số sang tương tự không chỉ liên quan đến lĩnh vực chuyển đổi mã sang tương tự. Sử dụng các thuộc tính của chúng, bạn có thể xác định tích của hai hoặc nhiều tín hiệu, xây dựng các bộ chia chức năng, các liên kết tương tự được điều khiển bởi bộ vi điều khiển, chẳng hạn như bộ suy giảm, bộ tích hợp. Bộ tạo tín hiệu cũng là một lĩnh vực ứng dụng quan trọng của DAC, bao gồm cả bộ tạo tín hiệu hình thức miễn phí. Dưới đây là một số mạch xử lý tín hiệu bao gồm bộ chuyển đổi D-A.

Xử lý số đã ký

Cho đến nay, khi mô tả các bộ chuyển đổi số sang tương tự, đầu vào thông tin sốđược biểu diễn dưới dạng số tự nhiên (đơn cực). Xử lý số nguyên (lưỡng cực) có một số tính năng nhất định. Thông thường số nguyên nhị phân được biểu diễn bằng mã bổ sung. Bằng cách này, sử dụng tám chữ số, bạn có thể biểu thị các số trong phạm vi từ -128 đến +127. Khi nhập số vào DAC, dãy số này được chuyển sang 0...255 bằng cách cộng 128. Các số lớn hơn 128 được coi là dương và các số nhỏ hơn 128 được coi là âm. Số trung bình 128 tương ứng với số không. Việc biểu diễn các số có dấu này được gọi là mã dịch chuyển. Việc thêm một số bằng một nửa thang đo đầy đủ của một bit nhất định (trong ví dụ của chúng tôi là 128) có thể được thực hiện dễ dàng bằng cách đảo ngược bit (dấu) quan trọng nhất. Sự tương ứng của các mã được xem xét được minh họa trong Bảng. 1.

Bảng 1

Mối quan hệ giữa đại lượng số và đại lượng tương tự

Để thu được tín hiệu đầu ra có dấu đúng, cần phải dịch chuyển ngược bằng cách trừ đi dòng điện hoặc điện áp bằng một nửa thang đo của bộ chuyển đổi. Vì nhiều loại khác nhau DAC có thể làm điều này theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, với DAC dựa trên nguồn dòng điện, phạm vi biến đổi của điện áp tham chiếu bị hạn chế và điện áp đầu ra có cực tính ngược với cực tính của điện áp tham chiếu. Trong trường hợp này chế độ lưỡng cựcĐiều này đạt được một cách đơn giản nhất bằng cách thêm một điện trở phân cực bổ sung Rcm giữa đầu ra DAC và đầu vào điện áp tham chiếu (Hình 8a). Điện trở R cm được chế tạo trên chip IC. Điện trở của nó được chọn sao cho dòng điện I cm bằng một nửa giá trị tối đa của dòng điện đầu ra DAC.

Về nguyên tắc, vấn đề sai lệch dòng điện đầu ra có thể được giải quyết tương tự đối với các DAC dựa trên công tắc MOS. Để làm điều này, bạn cần đảo ngược điện áp tham chiếu, sau đó tạo ra dòng điện phân cực từ -U op, dòng điện này sẽ được trừ khỏi dòng điện đầu ra DAC. Tuy nhiên, để duy trì sự ổn định nhiệt độ, tốt hơn hết là đảm bảo rằng dòng điện phân cực được tạo ra trực tiếp trong DAC. Để làm điều này, trong sơ đồ trong Hình. Trong Hình 8a, bộ khuếch đại hoạt động thứ hai được giới thiệu và đầu ra thứ hai của DAC được kết nối với đầu vào của op-amp này (Hình 8b).

Dòng điện đầu ra DAC thứ hai,

Ở đầu vào của op-amp1, dòng I"out được tính tổng bằng dòng I mr, tương ứng với đơn vị chữ số có nghĩa nhỏ nhất của mã đầu vào.

Tổng dòng điện bị đảo ngược. Dòng điện chạy qua điện trở phản hồi R os OU2 là

Hoặc

Tại

và khi

Trong trường hợp N=8, điều này trùng khớp với dữ liệu trong bảng với hệ số 2. 6, có tính đến thực tế là đối với bộ chuyển đổi dựa trên MOS, sẽ chuyển dòng điện đầu ra tối đa

Nếu điện trở R2 có điện trở phù hợp thì sự thay đổi tuyệt đối về giá trị của chúng khi có sự dao động nhiệt độ sẽ không ảnh hưởng đến điện áp đầu ra của mạch.

Đối với các bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự có tín hiệu đầu ra ở dạng điện áp, được xây dựng trên ma trận điện trở nghịch đảo (xem Hình 9), chế độ lưỡng cực có thể được thực hiện dễ dàng hơn (Hình 8c). Thông thường, các DAC như vậy chứa bộ khuếch đại đệm đầu ra trên chip. Để vận hành DAC theo kết nối đơn cực, đầu cực tự do của điện trở R phía dưới trong mạch không được kết nối hoặc được kết nối với một điểm chung trong mạch để tăng gấp đôi điện áp đầu ra. Làm việc trong bao gồm lưỡng cựcđầu ra tự do của điện trở này được kết nối với đầu vào điện áp tham chiếu của DAC. Trong trường hợp này, op-amp hoạt động ở chế độ kết nối vi sai và điện áp đầu ra của nó

Như đã đề cập ở trên, bộ chuyển đổi D-A dựa trên công tắc MOS cho phép thay đổi điện áp tham chiếu trong phạm vi rộng, bao gồm cả thay đổi về cực tính. Điện áp đầu ra DAC tỷ lệ thuận với tích của điện áp tham chiếu và mã kỹ thuật số đầu vào. Trường hợp này cho phép sử dụng trực tiếp các DAC như vậy để nhân tín hiệu tương tự với mã kỹ thuật số.

Khi DAC được kết nối đơn cực, tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với tích của tín hiệu analog lưỡng cực và mã kỹ thuật số đơn cực. Một số nhân như vậy được gọi là số nhân hai góc phần tư. Khi DAC được kết nối lưỡng cực (Hình 8b và 8c), tín hiệu đầu ra tỷ lệ với tích của tín hiệu analog lưỡng cực và mã kỹ thuật số lưỡng cực. Mạch này có thể hoạt động như một hệ số nhân bốn góc phần tư.

Việc chia điện áp đầu vào theo thang đo kỹ thuật số M D =D/2 N được thực hiện bằng mạch chia hai góc phần tư (Hình 9).

Trong sơ đồ ở hình. Như được hiển thị trong Hình 9a, bộ chuyển đổi công tắc MOS có đầu ra dòng điện hoạt động như một bộ chuyển đổi điện áp sang dòng điện được điều khiển bởi mã D và được bao gồm trong mạch phản hồi op-amp. Điện áp đầu vào được đưa vào cực tự do của điện trở phản hồi DAC nằm trên chip IC.

Trong mạch này, dòng điện đầu ra của DAC là

rằng khi điều kiện R os = R được đáp ứng, nó cho kết quả

Cần lưu ý rằng với mã "tất cả số không", phản hồi sẽ được mở. Chế độ này có thể được ngăn chặn bằng cách vô hiệu hóa mã đó trong phần mềm hoặc bằng cách kết nối một điện trở có điện trở bằng R·2 N+1 giữa đầu ra và đầu vào đảo ngược của op-amp.

Mạch chia dựa trên DAC có đầu ra điện áp được xây dựng trên ma trận điện trở nghịch đảo và bao gồm cả op-amp đệm được hiển thị trong Hình. 9b. Điện áp đầu ra và đầu vào của mạch này được liên hệ bởi phương trình

điều này nghĩa là .

Trong mạch này, bộ khuếch đại được bao phủ bởi cả phản hồi dương và âm. Để phản hồi tiêu cực chiếm ưu thế (nếu không op-amp sẽ biến thành bộ so sánh), điều kiện D phải được đáp ứng<2 N-1 или M D <1/2. Это ограничивает значение входного кода нижней половиной шкалы.

ĐẮC THÔNG SỐ

Với sự tăng tuần tự các giá trị của tín hiệu số đầu vào D(t) từ 0 đến 2 N -1 thông qua đơn vị có trọng số nhỏ nhất (EMP), tín hiệu đầu ra U out (t) tạo thành một đường cong bậc thang. Sự phụ thuộc này thường được gọi là đặc tính chuyển đổi DAC. Trong trường hợp không có lỗi phần cứng, điểm giữa của các bước nằm trên đường thẳng lý tưởng 1 (Hình 10), tương ứng với đặc tính biến đổi lý tưởng. Đặc tính biến đổi thực tế có thể khác biệt đáng kể so với đặc tính lý tưởng về kích thước và hình dạng của các bước cũng như vị trí của chúng trên mặt phẳng tọa độ. Có một số thông số để định lượng những khác biệt này.

Cơm. 10 Đặc tính tĩnh của chuyển đổi DAC

Thông số tĩnh

Độ phân giải - tăng U ra khi chuyển đổi các giá trị liền kề D j, tức là. khác nhau trên EMR. Sự gia tăng này là bước lượng tử hóa. Đối với mã chuyển đổi nhị phân, giá trị danh định của bước lượng tử hóa là h=U psh /(2 N -1), trong đó U psh là điện áp đầu ra tối đa danh nghĩa của DAC (điện áp toàn thang đo), N là dung lượng bit của ĐẮC. Dung lượng bit của bộ chuyển đổi càng cao thì độ phân giải của nó càng cao. Sai số toàn thang là sự khác biệt tương đối giữa giá trị thực tế và lý tưởng của giới hạn thang chuyển đổi trong trường hợp không có độ lệch bằng 0.

Nó là thành phần nhân của tổng sai số. Đôi khi được biểu thị bằng số EMP tương ứng.

Lỗi bù 0 - giá trị của U out khi mã đầu vào DAC bằng 0. Nó là một thành phần phụ của tổng sai số. Thường được biểu thị bằng milivolt hoặc dưới dạng phần trăm của thang đo đầy đủ:

Độ phi tuyến là độ lệch tối đa của đặc tính chuyển đổi thực tế U out (D) so với đặc tính tối ưu (dòng 2 trong Hình 10). Đặc tính tối ưu được tìm thấy theo kinh nghiệm để giảm thiểu giá trị của sai số phi tuyến. Tính phi tuyến thường được xác định theo đơn vị tương đối, nhưng trong dữ liệu tham chiếu nó cũng được đưa ra trong EMP. Đối với các đặc điểm thể hiện trong hình. 10

Độ phi tuyến vi phân là sự thay đổi lớn nhất (có tính đến dấu) của độ lệch của đặc tính biến đổi thực tế U out (D) so với đặc tính tối ưu khi chuyển từ một giá trị mã đầu vào này sang một giá trị mã đầu vào khác liền kề. Thường được xác định theo đơn vị tương đối hoặc trong EMR. Đối với các đặc điểm thể hiện trong hình. 10,

Tính đơn điệu của đặc tính chuyển đổi là sự tăng (giảm) điện áp đầu ra của DAC U out với sự tăng (giảm) trong mã đầu vào D. Nếu độ phi tuyến vi sai lớn hơn bước lượng tử hóa tương đối h/U psh, thì đặc tính của bộ chuyển đổi không đơn điệu.

Độ không ổn định nhiệt độ của bộ chuyển đổi DA được đặc trưng bởi các hệ số nhiệt độ của sai số toàn thang đo và sai số bù bằng 0.

Có thể sửa lỗi toàn bộ thang đo và lỗi bằng 0 bằng cách hiệu chuẩn (điều chỉnh). Các lỗi phi tuyến không thể được loại bỏ bằng các phương pháp đơn giản.

Các tham số động của DAC được xác định bởi sự thay đổi tín hiệu đầu ra khi mã đầu vào thay đổi đột ngột, thường là từ giá trị “tất cả số 0” thành “tất cả số một” (Hình 11).

Cơm. 11. Đáp ứng nhất thời của DAC

Thời gian thiết lập là khoảng thời gian kể từ thời điểm mã đầu vào thay đổi (trong Hình 11 t=0) cho đến thời điểm thỏa mãn đẳng thức lần cuối cùng

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

với d/2 thường tương ứng với EMP.

Tốc độ xoay - tốc độ thay đổi tối đa của U out (t) trong quá trình nhất thời. Nó được định nghĩa là tỷ lệ của khoảng tăng DU với thời gian Dt trong đó khoảng tăng này xảy ra. Thường được quy định trong thông số kỹ thuật của DAC với tín hiệu điện áp đầu ra. Đối với DAC có đầu ra dòng điện, thông số này phần lớn phụ thuộc vào loại op-amp đầu ra.

Để nhân DAC với đầu ra điện áp, tần số khuếch đại đơn vị và băng thông công suất thường được chỉ định, điều này chủ yếu được xác định bởi các đặc tính của bộ khuếch đại đầu ra.

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐƯỢC SỬ DỤNG

1. Vi mạch Federkov B.G., Telets V.A., DAC và ADC: hoạt động, thông số, ứng dụng. M.: Energoizdat, 1990. –320 tr.

2. Valakh V.V., Grigoriev V.F., ADC tốc độ cao để đo hình dạng của tín hiệu ngẫu nhiên M.: Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm. 1987. Số 4 tr.86-90

3. Mạch tích hợp DAC và ADC tốc độ cao và đo các thông số của chúng. Marcinkavyuches biên tập. M.: Đài phát thanh và truyền thông. 1988 –224 trang.©