Πώς πραγματοποιείται η μετατροπή σε έναν μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό. Μέθοδοι αναγνώρισης και διόρθωσης σφαλμάτων DAC. Σχέση ψηφιακών και αναλογικών μεγεθών

Μερικές φορές φαίνεται ότι ο ψηφιακός κόσμος συγχωνεύεται σχεδόν πλήρως με τον πραγματικό. Ωστόσο, παρά την εμφάνιση τέτοιων συστημάτων όπως το "gigaFLOPS", το "22 nm" και πολλά άλλα, ο πραγματικός κόσμος παραμένει πεισματικά αναλογικός και όχι ψηφιακός, και πρέπει ακόμα να δουλέψουμε με τα ψηφιακά μας συστήματα, τα οποία υπάρχουν σχεδόν παντού στον σύγχρονο κόσμο .

Ένας μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό DAC μετατρέπει ένα ψηφιακό σήμα εισόδου σε αναλογικό σήμα εξόδου. Ο ορισμός της "ακρίβειας" μπορεί να διαφέρει (ανάλογα με τον κατασκευαστή), αλλά θα περιγράψουμε μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό με αναλύσεις από 8 έως 16 bit και ταχύτητες έως 10 MSa/s. Αυτοί οι μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό DAC χρησιμοποιούνται σε διάφορα συστήματα– εξοπλισμός ήχου και εικόνας, έλεγχος επεξεργαστή, όργανα μέτρησης, συστήματα αυτοματισμού, συστήματα ηλεκτροκίνησης και πολλά άλλα. Καθε ξεχωριστό σύστημαΥπάρχουν μεμονωμένες απαιτήσεις για το DAC, για παράδειγμα, ανάλυση, στατικά και δυναμικά χαρακτηριστικά, κατανάλωση ενέργειας και άλλα.

Σε παραμέτρους και τεχνική περιγραφήκαθορίζει το σφάλμα μετατόπισης, τη διαφορική μη γραμμικότητα (DNL), την ολοκληρωτική μη γραμμικότητα (INL) και άλλες παραμέτρους που είναι απαραίτητες για τη διασφάλιση καλής απόδοσης στα συστήματα συνεχές ρεύμα, για παράδειγμα, όπως ο έλεγχος μιας ηλεκτρικής κίνησης ή κάποιας τεχνολογικής διαδικασίας.

Ορισμένες εφαρμογές, όπως η παραγωγή σήματος οθόνης, τονίζουν την ανάγκη για καλή απόδοση εναλλασσόμενου ρεύματος, η οποία καθορίζεται στο φύλλο δεδομένων όσον αφορά το χρόνο καθυστέρησης, τον θόρυβο και το εύρος ζώνης. Η κατασκευή της ίδιας της συσκευής χρησιμοποιώντας ένα DAC είναι πολύ πιο δύσκολη από την επιλογή ενός μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό από έναν κατάλογο, επειδή εκτός από το DAC, το σύστημα θα περιλαμβάνει πολλά περισσότερα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, η επιρροή των οποίων πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη λογαριασμός. Παρακάτω θα προσπαθήσουμε να το εξετάσουμε αυτό.
Περιεχόμενο:

Τρεις βασικές αρχιτεκτονικές για DAC ακριβείας

Όταν επιλέγετε την ακρίβεια του μετατροπέα D/A για το σύστημά σας, είναι σημαντικό η προδιαγραφή DAC να ταιριάζει με τις απαιτήσεις του συστήματος. Σε σύγκριση με την πληθώρα των αρχιτεκτονικών μετατροπέων ADC A/D, η επιλογή ενός μετατροπέα D/A μπορεί να φαίνεται εύκολη υπόθεση, καθώς υπάρχουν μόνο τρεις κύριες αρχιτεκτονικές DAC. Αλλά αυτό φαίνεται μόνο εύκολο, γιατί οι διαφορές στην απόδοση κάθε αρχιτεκτονικής είναι αρκετά σημαντικές.

Το DAC χρησιμοποιεί τρεις κύριες αρχιτεκτονικές - συμβολοσειρά (σειριακή), R-2R, πολλαπλασιασμό DAC (MDAC).

Μετατροπέας συμβολοσειράς ψηφιακού σε αναλογικό

Η ιδέα πίσω από τον ψηφιακό σε αναλογικό μετατροπέα χορδών προέρχεται από τον Lord Kelvin από τα μέσα του 1800:

Ο αποκωδικοποιητής εισόδου έχει πολλούς διακόπτες, έναν για κάθε συνδυασμό bit. Κάθε ψηφιακή είσοδος συνδέεται με τον αντίστοιχο ενισχυτή τάσης εξόδου.

Το N bit DAC αποτελείται από μια ακολουθία αντιστάσεων 2 N που ταιριάζουν, καθώς και μια πηγή τάσης στο ένα άκρο και γείωση στο άλλο. Ένα DAC τριών bit (εικόνα παραπάνω) απαιτεί οκτώ αντιστάσεις και επτά διακόπτες, αλλά αυτοί οι αριθμοί μεγαλώνουν πολύ με την αύξηση του βάθους bit και για ένα DAC 16 bit χρειάζεστε ήδη 65536 αντιστάσεις!!! Αυτός ο αριθμός είναι πολύ μεγάλος, ακόμη και για σύγχρονα συστήματα. Για να μειωθεί ο αριθμός των αντιστάσεων, χρησιμοποιούνται ενισχυτές παρεμβολής και βρύσες σε μεμονωμένες αντιστάσεις.

Οι μετατροπείς στοιχειοσειρών ή σειριακών ψηφιακού σε αναλογικό είναι αρκετά κατάλληλοι για τις περισσότερες εφαρμογές ακριβείας, όπως συστήματα ελέγχου κίνησης αυτόματο έλεγχο(σε σερβομηχανισμούς και κατά τον έλεγχο ηλεκτρικής κίνησης).

Η τάση εξόδου των DAC στοιχειοσειρών είναι αρχικά μονότονη με καλή διαφορική μη γραμμικότητα (DNL), αλλά η ολοκληρωτική της μη γραμμικότητα (INL) δεν είναι πολύ καλή, αφού εξαρτάται άμεσα από το σφάλμα της αντίστασης. Από την άποψη του συστήματος εναλλασσόμενο ρεύμαΤα DAC συμβολοσειρών δείχνουν περισσότερα χαμηλή απόδοσησε σύγκριση με άλλες αρχιτεκτονικές, καθώς έχει αρκετά υψηλό επίπεδο θορύβου, το οποίο προκαλείται από την υψηλή σύνθετη αντίσταση των αντιστάσεων, και η δομή μεταγωγής οδηγεί σε πιο αργή επεξεργασία σήματος κατά τις μεταβάσεις, περιορίζοντας έτσι την ταχύτητα των ενημερώσεων.

Αρχιτεκτονική R-2R

Αυτή η αρχιτεκτονική είναι η πιο κοινή μεταξύ των μετατροπέων ψηφιακού σε αναλογικό και το διάγραμμά της φαίνεται παρακάτω:

Αυτή η αρχιτεκτονική χρησιμοποιεί μόνο αντιστάσεις με δύο διαφορετικές αντιστάσεις, η αναλογία μεταξύ των οποίων ορίζεται ως 2 προς 1.

Όταν ρυθμιστεί ένα συγκεκριμένο bit, η αντίσταση 2R αλλάζει στη θέση V REF - H, διαφορετικά ρυθμίζεται στη θέση V REF - L (γείωση). Ως αποτέλεσμα παίρνουμε τάση εξόδου, που θα είναι το άθροισμα όλων των τάσεων της σκάλας 2R.

Η αρχιτεκτονική R-2R είναι κατάλληλη για χρήση σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις και συσκευές. Είναι πιο ακριβείς από τους μετατροπείς συμβολοσειράς D/A, έχουν χαμηλότερα επίπεδα θορύβου λόγω της παρουσίας μικρότερης αντίστασης που προκύπτει και έχουν καλύτερη απόδοση INL και DNL.

Η μετατροπή σήματος σε έναν μετατροπέα με αρχιτεκτονική R-2R περιλαμβάνει την εναλλαγή του ακροδέκτη 2R μεταξύ V REF - H και V REF - L. Οι εσωτερικές αντιστάσεις και οι διακόπτες στο εσωτερικό της συσκευής δεν ευθυγραμμίζονται τέλεια, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε ορισμένες δυσλειτουργίες στη διαδικασία μεταγωγής.

Πολλαπλασιαστικός μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό MDAC

Ο μετατροπέας πολλαπλασιασμού MDAC χρησιμοποιεί επίσης την αρχιτεκτονική R-2R, αλλά με τάση αναφοράς V REF. Διάγραμμα παρακάτω:

Όταν ρυθμιστεί το bit, η αντίστοιχη αντίσταση 2R συνδέεται στην εικονική γείωση - τον αθροιστικό op-amp. Γι' αυτό ο πολλαπλασιαζόμενος μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό δεν παράγει τάση, αλλά ρεύμα, ενώ η τάση αναφοράς V REF μπορεί να υπερβαίνει την ονομαστική ή να είναι εντελώς αρνητική.

Η πηγή V REF «βλέπει» μια σταθερή αντίσταση ίση με R στο MDAC, επομένως έχει πάντα σταθερό ρεύμα εξόδου, το οποίο βελτιώνει την απόδοση κατά τις γρήγορες μεταβάσεις, καθώς δεν χρειάζεται να περιμένετε μέχρι να αποκατασταθεί η τιμή της τάσης αναφοράς. Ανάλογα με τον ψηφιακό κωδικό, η ροή ρεύματος χωρίζεται σε επαφή εξόδου και επαφή γείωσης. Αυτό σημαίνει ότι η σύνθετη αντίσταση εξόδου θα είναι διαφορετική, γεγονός που καθιστά την επιλογή ενός εξωτερικού ενισχυτή λειτουργίας κάπως δύσκολη.

Για τη βελτίωση της απόδοσης εξόδου, τα MDAC περιλαμβάνουν μια εσωτερική αντίσταση ως ανάδραση, με θερμική απόκριση που αντιστοιχεί περίπου στην εσωτερική αντίσταση της σκηνής. Ο εσωτερικός θόρυβος από έναν πολλαπλασιαζόμενο μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό προέρχεται τόσο από αντιστάσεις σταδίου όσο και από αντίσταση ανάδρασης. Δεδομένου ότι η σύνθετη αντίσταση εξόδου εξαρτάται από τον κώδικα, το κέρδος θορύβου εξαρτάται επίσης από αυτήν, αν και το επίπεδο θορύβου του MDAC είναι πολύ χαμηλότερο από αυτό των σειριακών (string) DAC. Αξίζει να σημειωθεί ότι ο εξωτερικός λειτουργικός ενισχυτής op-amp μπορεί να είναι με χαμηλό επίπεδοθόρυβος

Ένα μειονέκτημα είναι ότι το σήμα εισόδου είναι το αντίστροφο του σήματος εξόδου, το οποίο με τη σειρά του απαιτεί μια πρόσθετη λειτουργία αναστροφής.

Κατανόηση των παραμέτρων απόδοσης AC

Για να έχετε τη μέγιστη απόδοση από έναν μετατροπέα AC D/A, υπάρχουν ορισμένες περιπλοκές που πρέπει να κατανοήσετε, καθώς και πιθανά βήματα που μπορείτε να κάνετε για να τον βελτιστοποιήσετε.

Ο χρόνος που χρειάζεται για να φτάσει ένας ενισχυτής ενεργοποίησης στην τελική του τιμή είναι ένας από τους κύριους δείκτες ποιότητας DAC. Οι χρόνοι απόκρισης του μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό φαίνονται παρακάτω:

• ΝΕΚΡΟΣ ΧΡΟΝΟΣ ( ΝΕΚΡΟΣ ΧΡΟΝΟΣ): αυτός είναι ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει το 10% της απαιτούμενης τιμής εξόδου αναλογικό σήμα, ξεκινώντας από τη στιγμή που έφτασε ο ψηφιακός κωδικός στον μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό.
• Χρόνος αύξησης παραγωγής ( Κόψιμο του χρόνου): ο χρόνος που απαιτείται για να αυξηθεί το αναλογικό σήμα εξόδου από 10% σε 90%.
• Χρόνος αποκατάστασης και τακτοποίησης ( Χρόνος αποθεραπείας γραμμικός χρόνος τακτοποίησης): υπέρβαση και δημιουργία αναλογικού σήματος δεδομένου σχήματος.

Μόλις το αναλογικό σήμα εξόδου βρίσκεται εντός του αποδεκτού εύρους σφάλματος, η διαδικασία ολοκληρώνεται, ακόμη και αν το σήμα εξακολουθεί να παρουσιάζει διακυμάνσεις αλλά βρίσκεται εντός του αποδεκτού εύρους σφάλματος.

Παρακάτω είναι η μεταβατική απόκριση ενός πραγματικού μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό R-2R DAC988 18-bit, μονού καναλιού:

Ο χρόνος καθίζησης του σήματος μετριέται από τη στιγμή που το σήμα LDAC πέφτει χαμηλά, μετά την οποία αρχίζει το μεταβατικό σύστημα. Λάβετε υπόψη ότι η διαδικασία αποσύνθεσης σήματος είναι η μεγαλύτερη, με μακρά διαδικασίαανάκτηση και την ασήμαντη επίδραση του στατικού σήματος σε αυτό.

Σφάλματα εναλλαγής

Η ιδανική αλλαγή στο σήμα εξόδου DAC είναι μια μονότονη άνοδος ή πτώση, αλλά στην πραγματικότητα αυτό δεν συμβαίνει και οι αλλαγές σήματος συμβαίνουν απότομα. Σε αντίθεση με τον χρόνο διευθέτησης, το σφάλμα μεταγωγής προκαλείται από εσφαλμένη εσωτερική μεταγωγή (ο κυρίαρχος παράγοντας) ή από χωρητική σύζευξη μεταξύ των σημάτων ψηφιακής εισόδου και αναλογικής εξόδου:

Το σφάλμα χαρακτηρίζεται από την περιοχή κάτω από τον θετικό και τον αρνητικό ψευδή παλμό και μετράται σε βολτ-δευτερόλεπτα (πιο συχνά σε μV∙s ή nV∙s).

Καθώς ο αριθμός των παράλληλων διακοπτών αυξάνεται, το σφάλμα αυξάνεται επίσης. Αυτό είναι ένα από τα μειονεκτήματα της αρχιτεκτονικής R-2R. Τα σφάλματα στην αρχιτεκτονική R-2R είναι πιο αισθητά κατά την αλλαγή όλων των bit ή κατά την εναλλαγή των πιο σημαντικών bit, κατά την εναλλαγή από 0x7FFF σε 0x8000 (για DAC 16-bit).

Εάν είναι αδύνατο να μειωθεί ο αριθμός των αντιστάσεων της σειράς μεταγωγής, τότε χρησιμοποιούνται στην έξοδο του μετατροπέα, τα κυκλώματα φαίνονται παρακάτω:

Το σχήμα α) δείχνει το απλούστερο φίλτρο RC, το οποίο είναι εγκατεστημένο στην έξοδο και σας επιτρέπει να μειώσετε ελαφρώς το επίπεδο πλάτους του σφάλματος εξόδου, αλλά έτσι καθυστερεί τον ρυθμό ανόδου του σήματος, αυξάνοντας έτσι τον χρόνο καθυστέρησης. Το σχήμα β) δείχνει μια επιλογή με την προσθήκη ενός δείγματος και τη διατήρηση του κυκλώματος. Ναι, αυτό σας επιτρέπει να μειώσετε το σφάλμα σχεδόν στο μηδέν, αλλά είναι εξαιρετικά δύσκολο να εφαρμόσετε ένα τέτοιο σχήμα, καθώς επιβάλλει αυστηρές απαιτήσεις σχετικά με το χρόνο απόκρισης, καθώς και αυστηρό συγχρονισμό με τον ρυθμό ανανέωσης DAC.

Πηγές θορύβου

Ο θόρυβος είναι ένα από τα βασικά συστατικάαπόδοση ενός σύγχρονου μετατροπέα AC ψηφιακού σε αναλογικό. Υπάρχουν τρεις κύριες πηγές θορύβου - το εσωτερικό δίκτυο αντιστάσεων, οι εσωτερικοί και εξωτερικοί ενισχυτές και οι πηγές τάσης αναφοράς. Η επίδραση των εσωτερικών αντιστάσεων στο θόρυβο του μετατροπέα συζητήθηκε νωρίτερα σε αυτό το άρθρο, οπότε ας δούμε τις άλλες δύο πηγές θορύβου.

Θόρυβος εξωτερικού ενισχυτή λειτουργίας

Η έξοδος του ενισχυτή DAC είναι μια άλλη πηγή θορύβου. Το MDAC χρησιμοποιεί έναν εξωτερικό op-amp, αλλά άλλες αρχιτεκτονικές χρησιμοποιούν έναν εσωτερικό op-amp, ο οποίος επηρεάζει το συνολικό αριθμό θορύβου εξόδου.

Ο θόρυβος σε ένα κύκλωμα op-amp έχει τρία κύρια στοιχεία:

• 1/f θόρυβος ή τρεμόπαιγμα.
• Θόρυβος ευρυζωνικής τάσης ή λευκός θόρυβος.
• Θόρυβος τάσεων και ρευμάτων στις αντιστάσεις.

Τα δύο πρώτα μετράνε εσωτερικές ιδιότητεςο ίδιος ο op-amp και το εύρος ζώνης περιορίζεται από τον ίδιο τον μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό, γεγονός που μειώνει σημαντικά την επίδραση του ευρυζωνικού θορύβου. Για καλύτερη απόδοσηΣτο AC, θα πρέπει να προσέχετε τους ενισχυτές λειτουργίας με χαμηλό θόρυβο 1/f.

Θόρυβος από εξωτερική τάση αναφοράς V REF

Ο θόρυβος εξόδου του DAC εξαρτάται άμεσα από τον θόρυβο στην τάση αναφοράς, ο οποίος μπορεί να είναι είτε εξωτερικός είτε εσωτερικός. Για να εξασφαλιστεί η μέγιστη απόδοση και ελάχιστο επίπεδοθόρυβος, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν πηγές τάσης αναφοράς υψηλής ποιότητας. Υπάρχει μια τεράστια ποικιλία από αναφορές τάσης από διάφορους κατασκευαστές.

συμπέρασμα

Η λήψη της μέγιστης απόδοσης εναλλασσόμενου ρεύματος από ένα DAC ακριβείας είναι ένας συνδυασμός κατανόησης των τεχνικών προδιαγραφών, επιλογής της σωστής αρχιτεκτονικής και προσθήκης των σωστών εξωτερικών εξαρτημάτων και, φυσικά, ακολουθώντας δοκιμασμένες τεχνικές για την επιλογή και το μέγεθος των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.

DAC με διαμόρφωση πλάτους παλμού

Πυκνωτής DAC με σειριακή μεταγωγή

Παράλληλοι DAC

• DAC με άθροισμα ρευμάτων βάρους

  DAC σε τρέχουσες πηγές

  Σχηματισμός του σήματος εξόδου με τη μορφή τάσης

  Πυκνωτής παράλληλης μεταγωγής DAC

  DAC με άθροισμα τάσης

Διεπαφές μετατροπέα D/A

• DAC με σειριακή διεπαφήεισαγωγή δεδομένων

  Παράλληλη είσοδος DAC

Εφαρμογή DAC

• Χειρισμός υπογεγραμμένων αριθμών

  Πολλαπλασιαστές και διαιρέτες συναρτήσεων

  Εξασθέντες και ολοκληρωτές σε DAC

  Απευθείας ψηφιακά συστήματα σύνθεσης σήματος

Παράμετροι DAC

Μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό

Ένας μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) έχει σχεδιαστεί για τη μετατροπή ενός αριθμού, που συνήθως ορίζεται ως δυάδικος κώδικας, σε τάση ή ρεύμα ανάλογο με την τιμή του ψηφιακού κωδικού. Το κύκλωμα των μετατροπέων ψηφιακού σε αναλογικό είναι πολύ διαφορετικό. Στο Σχ. Το σχήμα 1 δείχνει ένα σχήμα ταξινόμησης του DAC σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά του κυκλώματος. Επιπλέον, τα IC των μετατροπέων ψηφιακού σε αναλογικό ταξινομούνται σύμφωνα με τα ακόλουθα κριτήρια:

• Ανά τύπο σήματος εξόδου: με έξοδο ρεύματος και τάση εξόδου

  Ανά τύπο ψηφιακής διεπαφής: με σειριακή είσοδο και με παράλληλη εισαγωγή κωδικού εισόδου

  Ανά αριθμό DAC στο τσιπ: μονοκάναλο και πολυκαναλικό

  Με ταχύτητα: μέτρια και υψηλή ταχύτητα

Ρύζι. 1. Ταξινόμηση DAC

DAC με άθροισμα ρευμάτων βάρους

Τα περισσότερα παράλληλα κυκλώματα DAC βασίζονται στο άθροισμα των ρευμάτων, η ισχύς καθενός από τα οποία είναι ανάλογη με το βάρος του ψηφιακού δυαδικού bit, και μόνο τα ρεύματα bit των οποίων η τιμή είναι ίση με 1 πρέπει να αθροίζονται για να μετατρέψετε έναν δυαδικό κώδικα τεσσάρων bit σε αναλογικό σήμα ρεύματος. Το βάρος του τέταρτου, πιο σημαντικού ψηφίου (MSB) θα είναι 2 3 = 8, το τρίτο ψηφίο θα είναι 2 2 = 4, το δεύτερο θα είναι 2 1 = 2 και το λιγότερο σημαντικό ψηφίο θα είναι 2 0 = 1. Εάν το βάρος του MZR Εγώ MZR = 1 mA, τότε Εγώ SZR = 8 mA, και το μέγιστο ρεύμα εξόδου του μετατροπέα Εγώμέγιστη έξοδος = 15 mA και αντιστοιχεί στον κωδικό 1111 2. Είναι σαφές ότι ο κωδικός 1001 2, για παράδειγμα, θα αντιστοιχεί Εγώέξοδος = 9 mA, κ.λπ. Κατά συνέπεια, είναι απαραίτητο να κατασκευαστεί ένα κύκλωμα που να διασφαλίζει την παραγωγή και μεταγωγή ακριβών ρευμάτων ζύγισης σύμφωνα με δεδομένους νόμους. Το απλούστερο κύκλωμα που εφαρμόζει αυτή την αρχή φαίνεται στο Σχ. 3.

ΜΕ Οι αντιστάσεις των αντιστάσεων επιλέγονται έτσι ώστε όταν οι διακόπτες είναι κλειστοί, να διαρρέει ρεύμα που αντιστοιχεί στο βάρος της εκφόρτισης. Το κλειδί πρέπει να είναι κλειστό όταν το αντίστοιχο bit της λέξης εισόδου είναι ίσο με ένα. Το ρεύμα εξόδου καθορίζεται από τη σχέση

Με υψηλή χωρητικότητα bit του DAC, οι αντιστάσεις ρύθμισης ρεύματος πρέπει να αντιστοιχίζονται με υψηλή ακρίβεια. Οι πιο αυστηρές απαιτήσεις ακρίβειας επιβάλλονται στις αντιστάσεις των υψηλότερων ψηφίων, καθώς η εξάπλωση των ρευμάτων σε αυτές δεν πρέπει να υπερβαίνει το ρεύμα του ψηφίου χαμηλής τάξης. Επομένως, η αντίσταση εξαπλώθηκε κ-το ψηφίο πρέπει να είναι μικρότερο από

R/R=2 – κ

Από αυτή τη συνθήκη προκύπτει ότι η εξάπλωση της αντίστασης της αντίστασης, για παράδειγμα, στο τέταρτο ψηφίο δεν πρέπει να υπερβαίνει το 3%, και στο 10ο ψηφίο - 0,05%, κ.λπ.

Το εξεταζόμενο σχέδιο, με όλη του την απλότητα, έχει μια ολόκληρη δέσμη μειονεκτημάτων. Πρώτον, για διαφορετικούς κωδικούς εισόδου, το ρεύμα που καταναλώνεται από την πηγή τάσης αναφοράς (RPS) θα είναι διαφορετικό και αυτό θα επηρεάσει την τιμή της τάσης εξόδου RES. Δεύτερον, οι τιμές αντίστασης των αντιστάσεων βάρους μπορεί να διαφέρουν κατά χιλιάδες φορές, και αυτό καθιστά πολύ δύσκολη την εφαρμογή αυτών των αντιστάσεων σε IC ημιαγωγών. Επιπλέον, η αντίσταση των αντιστάσεων υψηλής τάξης σε DAC πολλαπλών bit μπορεί να είναι συγκρίσιμη με την αντίσταση του κλειστού διακόπτη και αυτό θα οδηγήσει σε σφάλμα μετατροπής. Τρίτον, σε αυτό το κύκλωμα, εφαρμόζεται σημαντική τάση στους ανοιχτούς διακόπτες, γεγονός που περιπλέκει την κατασκευή τους.

Αυτές οι αδυναμίες εξαλείφθηκαν στο κύκλωμα AD7520 DAC (οικιακό ανάλογο του 572PA1), που αναπτύχθηκε από την Analog Devices το 1973, το οποίο είναι πλέον ουσιαστικά ένα βιομηχανικό πρότυπο (πολλά σειριακά μοντέλα DAC κατασκευάζονται σύμφωνα με αυτό). Το υποδεικνυόμενο διάγραμμα φαίνεται στο Σχ. 4. Τα τρανζίστορ MOS χρησιμοποιούνται εδώ ως διακόπτες.

Ρύζι. 4. Κύκλωμα DAC με διακόπτες και μήτρα σταθερής αντίστασης

Σε αυτό το κύκλωμα, η ρύθμιση των συντελεστών στάθμισης των σταδίων του μετατροπέα πραγματοποιείται με διαδοχική διαίρεση της τάσης αναφοράς χρησιμοποιώντας μια μήτρα αντίστασης σταθερής σύνθετης αντίστασης. Το κύριο στοιχείο μιας τέτοιας μήτρας είναι ένας διαιρέτης τάσης (Εικ. 5), ο οποίος πρέπει να πληροί την ακόλουθη προϋπόθεση: εάν είναι φορτωμένο με αντίσταση R n, τότε η σύνθετη αντίσταση εισόδου του Rτο inx πρέπει επίσης να πάρει την τιμή R n. Συντελεστής αποδυνάμωσης αλυσίδας = U 2 /U 1 σε αυτό το φορτίο πρέπει να έχει την καθορισμένη τιμή. Όταν πληρούνται αυτές οι συνθήκες, λαμβάνουμε τις ακόλουθες εκφράσεις για αντιστάσεις:

σύμφωνα με το Σχ. 4.

Αφού σε οποιαδήποτε θέση των διακοπτών μικρό κσυνδέουν τους κάτω ακροδέκτες των αντιστάσεων στον κοινό δίαυλο κυκλώματος, η πηγή τάσης αναφοράς είναι φορτωμένη με σταθερή αντίσταση εισόδου Rσε = R. Αυτό διασφαλίζει ότι η τάση αναφοράς παραμένει αμετάβλητη για οποιονδήποτε κωδικό εισόδου DAC.

Σύμφωνα με το Σχ. 4, τα ρεύματα εξόδου του κυκλώματος καθορίζονται από τις σχέσεις

και το ρεύμα εισόδου

Από τους κάτω ακροδέκτες των αντιστάσεων 2 Rπίνακες για οποιαδήποτε κατάσταση διακόπτη μικρό κσυνδεδεμένο με το δίαυλο κοινού κυκλώματος μέσω της χαμηλής αντίστασης των κλειστών διακοπτών, οι τάσεις στους διακόπτες είναι πάντα μικρές, μέσα σε λίγα χιλιοστά βολτ. Αυτό απλοποιεί την κατασκευή διακοπτών και κυκλωμάτων ελέγχου και επιτρέπει τη χρήση τάσεων αναφοράς από ένα ευρύ φάσμα, συμπεριλαμβανομένων διαφορετικών πολικοτήτων. Δεδομένου ότι το ρεύμα εξόδου DAC εξαρτάται από U op linear (βλέπε (8)), μετατροπείς αυτού του τύπου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον πολλαπλασιασμό ενός αναλογικού σήματος (εφαρμόζοντάς το στην είσοδο τάσης αναφοράς) με έναν ψηφιακό κωδικό. Τέτοια DAC ονομάζονται πολλαπλασιάζοντας(MDAC).

Η ακρίβεια αυτού του κυκλώματος μειώνεται από το γεγονός ότι για DAC υψηλών bit, είναι απαραίτητο να ταιριάζει η αντίσταση R 0 διακόπτες με ρεύματα εκφόρτισης. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για κλειδιά υψηλής παραγγελίας. Για παράδειγμα, στο 10-bit AD7520 DAC, τα βασικά MOSFET των έξι πιο σημαντικών bit είναι διαφορετικά ως προς την περιοχή και την αντίστασή τους RΤο 0 αυξάνεται σύμφωνα με τον δυαδικό κώδικα (20, 40, 80, ..., 640 Ohms). Με αυτόν τον τρόπο, οι πτώσεις τάσης στους διακόπτες των πρώτων έξι bit εξισώνονται (έως 10 mV), γεγονός που εξασφαλίζει μονοτονία και γραμμικότητα της μεταβατικής απόκρισης DAC. Το 12-bit DAC 572PA2 έχει διαφορική μη γραμμικότητα έως και 0,025% (1 LSB).

Μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό(ADC, Αγγλικά μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό, ADC) είναι μια συσκευή που μετατρέπει ένα αναλογικό σήμα εισόδου σε διακριτό κωδικό (ψηφιακό σήμα). Η αντίστροφη μετατροπή γίνεται με χρήση DAC (Digital to Analog Converter, DAC).

Συνήθως, ένα ADC είναι ηλεκτρονική συσκευή, μετατρέποντας την τάση σε δυαδικό ψηφιακό κώδικα. Ωστόσο, ορισμένες μη ηλεκτρονικές συσκευές με ψηφιακή έξοδο θα πρέπει επίσης να ταξινομηθούν ως ADC, όπως ορισμένοι τύποι μετατροπέων γωνίας προς κώδικα. Ο απλούστερος δυαδικός ADC ενός bit είναι ο συγκριτής.

Αδεια

Η ανάλυση ενός ADC - η ελάχιστη αλλαγή στο μέγεθος ενός αναλογικού σήματος που μπορεί να μετατραπεί από ένα δεδομένο ADC - σχετίζεται με την χωρητικότητα bit του. Στην περίπτωση μιας μεμονωμένης μέτρησης χωρίς να λαμβάνεται υπόψη ο θόρυβος, η ανάλυση καθορίζεται άμεσα από τη χωρητικότητα bit του ADC.

Η χωρητικότητα ADC χαρακτηρίζει τον αριθμό των διακριτών τιμών που μπορεί να παράγει ο μετατροπέας στην έξοδο. Στα δυαδικά ADC μετριέται σε bit, στα τριμερή ADC μετριέται σε trits. Για παράδειγμα, ένα δυαδικό ADC 8 bit είναι ικανό να παράγει 256 διακριτές τιμές (0...255), αφού ένα τριαδικό ADC 8 bit είναι ικανό να παράγει 6561 διακριτές τιμές, αφού .

Η ανάλυση τάσης είναι ίση με τη διαφορά μεταξύ των τάσεων που αντιστοιχούν στον μέγιστο και ελάχιστο κωδικό εξόδου, διαιρούμενη με τον αριθμό των διακριτών τιμών εξόδου. Για παράδειγμα:

Εύρος εισόδου = 0 έως 10 βολτ

Δυαδική χωρητικότητα ADC 12 bit: 212 = 4096 επίπεδα κβαντισμού

Ανάλυση τάσης δυαδικού ADC: (10-0)/4096 = 0,00244 volts = 2,44 mV

Χωρητικότητα bit τριμερούς ADC 12 trit: 312 = 531.441 επίπεδο κβαντισμού

Ανάλυση τριαδικής τάσης ADC: (10-0)/531441 = 0,0188 mV = 18,8 µV

Εύρος εισόδου = −10 έως +10 βολτ

Δυαδική χωρητικότητα ADC 14 bit: 214 = 16384 επίπεδα κβαντισμού

Ανάλυση τάσης δυαδικού ADC: (10-(-10))/16384 = 20/16384 = 0,00122 volts = 1,22 mV

Χωρητικότητα bit τριμερούς ADC 14 trit: 314 = 4.782.969 επίπεδα κβαντισμού

Ανάλυση τάσης τριμερούς ADC: (10-(-10))/4782969 = 0,00418 mV = 4,18 µV

Στην πράξη, η ανάλυση ενός ADC περιορίζεται από την αναλογία σήματος προς θόρυβο του σήματος εισόδου. Όταν η ένταση θορύβου στην είσοδο ADC είναι υψηλή, η διάκριση μεταξύ γειτονικών επιπέδων σήματος εισόδου καθίσταται αδύνατη, δηλαδή η ανάλυση επιδεινώνεται. Σε αυτήν την περίπτωση, η πραγματικά επιτεύξιμη ανάλυση περιγράφεται από τον πραγματικό αριθμό bit (ENOB), ο οποίος είναι μικρότερος από το πραγματικό βάθος bit του ADC. Κατά τη μετατροπή ενός σήματος με υψηλό θόρυβο, τα bits χαμηλής τάξης του κώδικα εξόδου είναι πρακτικά άχρηστα, καθώς περιέχουν θόρυβο. Για να επιτευχθεί το δηλωμένο βάθος bit, ο λόγος S/N του σήματος εισόδου πρέπει να είναι περίπου 6 dB για κάθε bit βάθους bit (6 dB αντιστοιχούν σε τετραπλάσια αλλαγή στο επίπεδο σήματος).

Τύποι μετατροπής

Σύμφωνα με τη μέθοδο των αλγορίθμων που χρησιμοποιούνται, τα ADC χωρίζονται σε:

Διαδοχική άμεση αναζήτηση

Διαδοχική προσέγγιση

Σειρά με διαμόρφωση σίγμα-δέλτα

Παράλληλη μονή σκηνή

Παράλληλη δύο ή περισσότερων σταδίων (μεταφορέας)

Το χαρακτηριστικό μεταφοράς ενός ADC είναι η εξάρτηση του αριθμητικού ισοδυνάμου του δυαδικού κώδικα εξόδου από το μέγεθος του αναλογικού σήματος εισόδου. Μιλούν για γραμμικά και μη γραμμικά ADC. Αυτή η διαίρεση είναι υπό όρους. Και τα δύο χαρακτηριστικά μετάδοσης είναι κλιμακωτά. Αλλά για τα «γραμμικά» ADC είναι πάντα δυνατό να σχεδιάσουμε μια ευθεία γραμμή έτσι ώστε όλα τα σημεία του χαρακτηριστικού μεταφοράς να αντιστοιχούν στις τιμές εισόδου δέλτα*2^k (όπου δέλτα είναι το βήμα δειγματοληψίας, το k να βρίσκεται στην περιοχή 0. .N, όπου N είναι το βάθος bit ADC) βρίσκονται σε ίση απόσταση από αυτό.

Ακρίβεια

Υπάρχουν πολλές πηγές σφάλματος ADC. Τα σφάλματα κβαντοποίησης και (υποθέτοντας ότι το ADC πρέπει να είναι γραμμικό) οι μη γραμμικότητες είναι εγγενείς σε οποιαδήποτε μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό. Επιπλέον, υπάρχουν τα λεγόμενα σφάλματα διαφράγματος που είναι συνέπεια του jitter της γεννήτριας ρολογιού που εμφανίζονται κατά τη μετατροπή του σήματος στο σύνολό του (και όχι μόνο ενός δείγματος).

Αυτά τα σφάλματα μετρώνται σε μονάδες που ονομάζονται LSB - το λιγότερο σημαντικό bit. Στο παραπάνω παράδειγμα ενός δυαδικού ADC 8-bit, το σφάλμα σε 1 LSB είναι 1/256 του πλήρους εύρους σήματος, δηλαδή 0,4%, στον τριαδικό ADC 5-trit, το σφάλμα σε 1 LSB είναι 1/243 του πλήρους εύρους σήματος, δηλαδή 0,412%, σε ένα τριαδικό ADC 8 τριών, το σφάλμα σε 1 LSB είναι 1/6561, δηλαδή 0,015%.

Τύποι ADC

Οι ακόλουθες είναι οι κύριες μέθοδοι για την κατασκευή ηλεκτρονικών ADC:

Άμεση μετατροπή ADC:

Τα ADC παράλληλης άμεσης μετατροπής, τα οποία είναι πλήρως παράλληλα ADC, περιέχουν έναν συγκριτή για κάθε επίπεδο διακριτού σήματος εισόδου. Ανά πάσα στιγμή, μόνο οι συγκριτές που αντιστοιχούν σε επίπεδα κάτω από τη στάθμη του σήματος εισόδου παράγουν ένα επιπλέον σήμα στην έξοδο τους. Τα σήματα από όλους τους συγκριτές πηγαίνουν είτε απευθείας σε έναν παράλληλο καταχωρητή, και στη συνέχεια ο κώδικας υποβάλλεται σε επεξεργασία σε λογισμικό ή σε έναν λογικό κωδικοποιητή υλικού, ο οποίος δημιουργεί τον απαιτούμενο ψηφιακό κώδικα σε υλικό, ανάλογα με τον κωδικό στην είσοδο του κωδικοποιητή. Τα δεδομένα από τον κωδικοποιητή καταγράφονται σε έναν παράλληλο καταχωρητή. Ο ρυθμός δειγματοληψίας των παράλληλων ADC, γενικά, εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά υλικού των αναλογικών και λογικών στοιχείων, καθώς και από τον απαιτούμενο ρυθμό δειγματοληψίας.

Τα ADC παράλληλης άμεσης μετατροπής είναι τα πιο γρήγορα, αλλά συνήθως έχουν ανάλυση όχι μεγαλύτερη από 8 bit, καθώς συνεπάγονται μεγάλο κόστος υλικού (συγκριτές). Τα ADC αυτού του τύπου έχουν πολύ μεγάλο μέγεθοςκρύσταλλο τσιπ, υψηλή χωρητικότητα εισόδου και μπορεί να προκαλέσει βραχυπρόθεσμα σφάλματα στην έξοδο. Συχνά χρησιμοποιούνται για βίντεο ή άλλα σήματα υψηλής συχνότητας, χρησιμοποιούνται επίσης ευρέως στη βιομηχανία για την παρακολούθηση διαδικασιών που αλλάζουν γρήγορα σε πραγματικό χρόνο.

Η λειτουργία αγωγών των ADC χρησιμοποιείται σε παράλληλες σειριακές ADC άμεσης μετατροπής, σε αντίθεση με τον συνήθη τρόπο λειτουργίας των παράλληλων σειριακών ADC άμεσης μετατροπής, όπου τα δεδομένα μεταδίδονται μετά από πλήρη μετατροπή σε λειτουργία αγωγού, τα δεδομένα μερικών μετατροπών μεταδίδεται μόλις είναι έτοιμο μέχρι το τέλος της πλήρους μετατροπής.

Ένα ADC διαδοχικής προσέγγισης, ή ADC με ισορροπία bit, περιέχει έναν συγκριτή, ένα βοηθητικό DAC και έναν διαδοχικό καταχωρητή προσέγγισης. Το ADC μετατρέπει το αναλογικό σήμα σε ψηφιακό σε N βήματα, όπου N είναι το βάθος bit ADC. Σε κάθε βήμα, προσδιορίζεται ένα bit της επιθυμητής τιμής ψηφιακή αξία, ξεκινώντας από τα φυτοπροστατευτικά προϊόντα και καταλήγοντας στις ζώνες προστασίας ορυκτών. Η ακολουθία των ενεργειών για τον προσδιορισμό του επόμενου bit είναι η εξής. Το βοηθητικό DAC ορίζεται σε μια αναλογική τιμή που σχηματίζεται από τα bit που έχουν ήδη καθοριστεί στα προηγούμενα βήματα. το bit που πρέπει να προσδιοριστεί σε αυτό το βήμα ορίζεται σε 1, τα χαμηλότερα bit ορίζονται στο 0. Η τιμή που λαμβάνεται στο βοηθητικό DAC συγκρίνεται με την αναλογική τιμή εισόδου. Εάν η τιμή του σήματος εισόδου είναι μεγαλύτερη από την τιμή στο βοηθητικό DAC, τότε το bit που θα προσδιοριστεί παίρνει την τιμή 1, διαφορετικά 0. Έτσι, ο προσδιορισμός της τελικής ψηφιακής τιμής μοιάζει με δυαδική αναζήτηση. Αυτός ο τύπος ADC έχει τόσο υψηλή ταχύτητα όσο και καλή ανάλυση. Ωστόσο, ελλείψει συσκευής δειγματοληψίας αποθήκευσης, το σφάλμα θα είναι πολύ μεγαλύτερο (φανταστείτε ότι μετά την ψηφιοποίηση του μεγαλύτερου ψηφίου, το σήμα άρχισε να αλλάζει).

Τα ADC διαφορικής κωδικοποίησης (ADC με κωδικοποίηση δέλτα) περιέχουν έναν αντίστροφο μετρητή, ο κωδικός από τον οποίο αποστέλλεται στο βοηθητικό DAC. Το σήμα εισόδου και το σήμα από το βοηθητικό DAC συγκρίνονται χρησιμοποιώντας έναν συγκριτή. Χάρη στην αρνητική ανάδραση από τον συγκριτή προς τον μετρητή, ο κωδικός στον μετρητή αλλάζει συνεχώς, έτσι ώστε το σήμα από το βοηθητικό DAC να διαφέρει όσο το δυνατόν λιγότερο από το σήμα εισόδου. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, η διαφορά σήματος γίνεται μικρότερη από την ελάχιστη τιμή και ο κωδικός μετρητή διαβάζεται ως το ψηφιακό σήμα εξόδου του ADC. Τα ADC αυτού του τύπου έχουν πολύ μεγάλο εύρος σήματος εισόδου και υψηλή ανάλυση, αλλά ο χρόνος μετατροπής εξαρτάται από το σήμα εισόδου, αν και περιορίζεται από πάνω. Στη χειρότερη περίπτωση, ο χρόνος μετατροπής είναι ίσος με Tmax=(2q)/fс, όπου q είναι η χωρητικότητα bit ADC, fс είναι η συχνότητα της γεννήτριας μετρητή ρολογιού. Τα ADC διαφορικής κωδικοποίησης είναι συνήθως μια καλή επιλογή για την ψηφιοποίηση σημάτων πραγματικού κόσμου, καθώς τα περισσότερα σήματα στα φυσικά συστήματα δεν είναι επιρρεπή σε απότομες αλλαγές. Ορισμένα ADC χρησιμοποιούν μια συνδυασμένη προσέγγιση: διαφορική κωδικοποίηση και διαδοχική προσέγγιση. Αυτό λειτουργεί ιδιαίτερα καλά σε περιπτώσεις όπου τα στοιχεία υψηλής συχνότητας στο σήμα είναι γνωστό ότι είναι σχετικά μικρά.

Σύγκριση ADC με σήμα πριονωτή (ορισμένα ADC αυτού του τύπου ονομάζονται Integrating ADCs, περιλαμβάνουν επίσης σειριακά ADC μέτρησης) περιέχουν μια γεννήτρια τάσης πριονωτή (σε μια σειριακή μέτρηση ADC μια γεννήτρια βηματικής τάσης που αποτελείται από έναν μετρητή και έναν DAC), έναν συγκριτή και χρονόμετρο. Το σήμα του πριονιού αυξάνεται γραμμικά από κάτω προς τα κορυφαίο επίπεδο, μετά πέφτει γρήγορα στο χαμηλότερο επίπεδο. Τη στιγμή που ξεκινά η άνοδος, ξεκινά ο μετρητής χρόνου. Όταν το σήμα ράμπας φτάσει στο επίπεδο του σήματος εισόδου, ο συγκριτής ενεργοποιείται και σταματά τον μετρητή. η τιμή διαβάζεται από τον μετρητή και παρέχεται στην έξοδο του ADC. Αυτός ο τύπος ADC είναι ο απλούστερος σε δομή και περιέχει τον ελάχιστο αριθμό στοιχείων. Ταυτόχρονα, οι απλούστεροι ADC αυτού του τύπου έχουν μάλλον χαμηλή ακρίβεια και είναι ευαίσθητοι στη θερμοκρασία και σε άλλες εξωτερικές παραμέτρους. Για να αυξηθεί η ακρίβεια, μια γεννήτρια ράμπας μπορεί να κατασκευαστεί γύρω από έναν μετρητή και ένα βοηθητικό DAC, αλλά αυτή η δομή δεν έχει άλλα πλεονεκτήματα σε σχέση με τα ADC διαδοχικής προσέγγισης και τα ADC διαφορικής κωδικοποίησης.

Οι ADC με εξισορρόπηση φόρτισης (περιλαμβάνουν ADC με ενοποίηση δύο σταδίων, ADC με ενοποίηση πολλαπλών σταδίων και μερικά άλλα) περιέχουν μια γεννήτρια σταθερού ρεύματος, έναν συγκριτή, έναν ολοκληρωτή ρεύματος, μια γεννήτρια ρολογιού και έναν μετρητή παλμών. Ο μετασχηματισμός γίνεται σε δύο στάδια (ολοκλήρωση δύο σταδίων). Στο πρώτο στάδιο, η τιμή της τάσης εισόδου μετατρέπεται σε ρεύμα (ανάλογο με την τάση εισόδου), το οποίο τροφοδοτείται στον ολοκληρωτή ρεύματος, του οποίου η φόρτιση είναι αρχικά ίσο με μηδέν. Αυτή η διαδικασία διαρκεί για ένα χρόνο TN, όπου T είναι η περίοδος της γεννήτριας ρολογιού, N είναι μια σταθερά (ένας μεγάλος ακέραιος που καθορίζει το χρόνο συσσώρευσης φορτίου). Μετά από αυτό το διάστημα, η είσοδος του ολοκληρωτή αποσυνδέεται από την είσοδο ADC και συνδέεται σε μια σταθερή γεννήτρια ρεύματος. Η πολικότητα της γεννήτριας είναι τέτοια που μειώνει το φορτίο που συσσωρεύεται στον ολοκληρωτή. Η διαδικασία εκφόρτισης συνεχίζεται έως ότου η φόρτιση στον ολοκληρωτή μειωθεί στο μηδέν. Ο χρόνος εκφόρτισης μετράται μετρώντας τους παλμούς ρολογιού από τη στιγμή που αρχίζει η εκφόρτιση μέχρι ο ολοκληρωτής να φτάσει στο μηδέν φόρτιση. Ο υπολογισμένος αριθμός παλμών ρολογιού θα είναι ο κωδικός εξόδου ADC. Μπορεί να φανεί ότι ο αριθμός των παλμών n, που μετρήθηκαν κατά τη διάρκεια του χρόνου εκφόρτισης, είναι ίσος με: n=UinN(RI0)−1, όπου Uin είναι η είσοδος Τάση ADC, N είναι ο αριθμός των παλμών του σταδίου συσσώρευσης (που ορίζεται παραπάνω), R είναι η αντίσταση της αντίστασης που μετατρέπει την τάση εισόδου σε ρεύμα, I0 είναι η τιμή ρεύματος από τη γεννήτρια σταθερού ρεύματος που αποφορτίζει τον ολοκληρωτή στο δεύτερο στάδιο. Έτσι, οι δυνητικά ασταθείς παράμετροι του συστήματος (κυρίως η χωρητικότητα του πυκνωτή ολοκληρωτή) δεν περιλαμβάνονται στην τελική έκφραση. Αυτό είναι συνέπεια της διαδικασίας δύο σταδίων: τα σφάλματα που εισάγονται στο πρώτο και το δεύτερο στάδιο αφαιρούνται αμοιβαία. Δεν υπάρχουν αυστηρές απαιτήσεις ακόμη και για τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της γεννήτριας ρολογιού και την τάση πόλωσης του συγκριτή: αυτές οι παράμετροι πρέπει να είναι σταθερές μόνο για μικρό χρονικό διάστημα, δηλαδή κατά τη διάρκεια κάθε μετατροπής (όχι περισσότερο από 2TN). Στην πραγματικότητα, η αρχή της ολοκλήρωσης δύο σταδίων επιτρέπει την απευθείας μετατροπή της αναλογίας δύο αναλογικών μεγεθών (ρεύμα εισόδου και αναφοράς) σε μια αναλογία αριθμητικών κωδικών (n και N με όρους που ορίζονται παραπάνω) χωρίς ουσιαστικά να εισάγονται πρόσθετα σφάλματα. Το τυπικό πλάτος αυτού του τύπου ADC είναι 10 έως 18 bit. Ένα πρόσθετο πλεονέκτημα είναι η δυνατότητα κατασκευής μετατροπέων που δεν είναι ευαίσθητοι σε περιοδικές παρεμβολές (για παράδειγμα, παρεμβολές από την παροχή ρεύματος) λόγω της ακριβούς ενσωμάτωσης του σήματος εισόδου σε ένα σταθερό χρονικό διάστημα. Το μειονέκτημα αυτού του τύπου ADC είναι χαμηλή ταχύτηταμεταμορφώσεις. Οι ADC εξισορρόπησης φόρτισης χρησιμοποιούνται σε όργανα μέτρησης υψηλής ακρίβειας.

ADC με ενδιάμεση μετατροπή σε ρυθμό επανάληψης παλμού. Το σήμα από τον αισθητήρα περνά μέσω ενός μετατροπέα στάθμης και στη συνέχεια μέσω ενός μετατροπέα τάσης-συχνότητας. Έτσι, η ίδια η είσοδος του λογικού κυκλώματος λαμβάνει ένα σήμα του οποίου το χαρακτηριστικό είναι μόνο η συχνότητα παλμού. Ο λογικός μετρητής λαμβάνει αυτούς τους παλμούς ως είσοδο κατά τη διάρκεια του χρόνου δειγματοληψίας, παράγοντας έτσι στο τέλος του χρόνου δειγματοληψίας έναν συνδυασμό κωδικών αριθμητικά ίσο με τον αριθμό των παλμών που έλαβε ο μετατροπέας κατά τη διάρκεια του χρόνου δειγματοληψίας. Τέτοια ADC είναι αρκετά αργά και όχι πολύ ακριβή, αλλά παρόλα αυτά είναι πολύ απλά στην εφαρμογή τους και επομένως έχουν χαμηλό κόστος.

Τα ADC Sigma-delta (ονομάζονται επίσης ADCs delta-sigma) εκτελούν μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό με ρυθμό δειγματοληψίας πολλές φορές υψηλότερο από τον απαιτούμενο και, μέσω του φιλτραρίσματος, αφήνουν μόνο την επιθυμητή φασματική ζώνη στο σήμα.

Τα μη ηλεκτρονικά ADC συνήθως κατασκευάζονται με βάση τις ίδιες αρχές.

Εμπορικά ADC

Κατά κανόνα, παράγονται με τη μορφή μικροκυκλωμάτων.

Για τους περισσότερους ADC, το βάθος bit κυμαίνεται από 6 έως 24 bit και η συχνότητα δειγματοληψίας είναι έως 1 MHz. Διατίθενται επίσης ADC Mega και gigahertz (Φεβρουάριος 2002). Απαιτούνται ADC Megahertz ψηφιακές βιντεοκάμερες, συσκευές λήψης βίντεο και ψηφιακοί δέκτες τηλεόρασηςγια να ψηφιοποιήσετε ένα πλήρες σήμα βίντεο. Τα εμπορικά ADC έχουν συνήθως σφάλμα εξόδου ±0,5 έως ±1,5 LSB.

Ένας από τους παράγοντες που αυξάνει το κόστος των τσιπ είναι ο αριθμός των καρφιτσών, καθώς αναγκάζουν τη συσκευασία των τσιπ να είναι μεγαλύτερη και κάθε καρφίτσα πρέπει να στερεωθεί στη μήτρα. Για να μειώσετε τον αριθμό των ακίδων, συχνά λειτουργούν τα ADC χαμηλές συχνότητεςαχ δειγματοληψία, έχουν σειριακή διεπαφή. Η χρήση ενός ADC με σειριακή διεπαφή επιτρέπει συχνά αυξημένη πυκνότητα συσκευασίας και μικρότερη επιφάνεια πλακέτας.

Συχνά τα τσιπ ADC έχουν πολλές αναλογικές εισόδους συνδεδεμένες μέσα στο τσιπ σε ένα μόνο ADC μέσω ενός αναλογικού πολυπλέκτη. Διάφορα μοντέλα ADC μπορεί να περιλαμβάνουν συσκευές δειγματοληψίας και συγκράτησης, ενισχυτές οργάνων ή διαφορική είσοδο υψηλής τάσης και άλλα παρόμοια κυκλώματα.

Άλλες Εφαρμογές

Η μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό χρησιμοποιείται όπου χρειάζεται να ληφθεί και να υποβληθεί σε επεξεργασία ένα αναλογικό σήμα σε ψηφιακή μορφή.

Ειδικοί ADC βίντεο χρησιμοποιούνται σε δέκτες τηλεόρασης υπολογιστών, κάρτες εισόδου βίντεο και βιντεοκάμερες για την ψηφιοποίηση σημάτων βίντεο. Οι είσοδοι μικροφώνου και γραμμής ήχου των υπολογιστών συνδέονται σε ένα ADC ήχου.

Τα ADC είναι αναπόσπαστο μέροςσυστήματα συλλογής δεδομένων.

Οι ADC διαδοχικής προσέγγισης με χωρητικότητα 8-12 bit και οι ADC-δέλτα με χωρητικότητα 16-24 bit είναι ενσωματωμένοι σε μικροελεγκτές ενός τσιπ.

Απαιτούνται πολύ γρήγοροι ADC σε ψηφιακούς παλμογράφους (χρησιμοποιούνται ADC παράλληλοι και αγωγοί)

Σύγχρονη ζυγαριάχρησιμοποιήστε ADC με χωρητικότητα έως και 24 bit, μετατρέποντας το σήμα απευθείας από τον αισθητήρα μέτρησης καταπόνησης (ADC σίγμα-δέλτα).

Τα ADC αποτελούν μέρος των ραδιομόντεμ και άλλων συσκευών μετάδοσης ραδιοφωνικών δεδομένων, όπου χρησιμοποιούνται μαζί με έναν επεξεργαστή DSP ως αποδιαμορφωτή.

Τα εξαιρετικά γρήγορα ADC χρησιμοποιούνται σε συστήματα κεραιών σταθμούς βάσης(στις λεγόμενες κεραίες SMART) και σε συστοιχίες κεραιών ραντάρ.

Μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) - μια συσκευή για τη μετατροπή ψηφιακού (συνήθως δυαδικού) κώδικα σε αναλογικό σήμα (ρεύμα, τάση ή φόρτιση). Οι μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό είναι η διεπαφή μεταξύ διακριτών ψηφιακός κόσμοςκαι αναλογικά σήματα.

Παράγει ένας μετατροπέας αναλογικού σε ψηφιακό (ADC). αντίστροφη λειτουργία.

Ένα ακουστικό DAC συνήθως λαμβάνει ένα ψηφιακό σήμα σε διαμόρφωση παλμικού κώδικα (PCM, διαμόρφωση κωδικού παλμού) ως είσοδο. Η εργασία μετατροπής διαφόρων συμπιεσμένων μορφών σε PCM εκτελείται από τους αντίστοιχους κωδικοποιητές.

Εφαρμογή

Το DAC χρησιμοποιείται όποτε είναι απαραίτητο να μετατραπεί ένα σήμα από ψηφιακή αναπαράσταση σε αναλογικό, για παράδειγμα, σε συσκευές αναπαραγωγής CD (CD ήχου).

Τύποι DAC

Οι πιο συνηθισμένοι τύποι ηλεκτρονικών DAC είναι:

Διαμορφωτής πλάτους παλμού - απλούστερος τύπος DAC. Μια σταθερή πηγή ρεύματος ή τάσης ενεργοποιείται περιοδικά για χρόνο ανάλογο με τον ψηφιακό κωδικό που μετατρέπεται και, στη συνέχεια, η προκύπτουσα ακολουθία παλμών φιλτράρεται από ένα αναλογικό φίλτρο χαμηλής διέλευσης. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται συχνά για τον έλεγχο της ταχύτητας των ηλεκτρικών κινητήρων και γίνεται επίσης δημοφιλής στον ήχο Hi-Fi.

Τα DAC υπερδειγματοληψίας, όπως τα DAC δέλτα-σίγμα, βασίζονται σε μεταβλητή πυκνότητα παλμού. Η υπερδειγματοληψία σάς επιτρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα DAC με μικρότερο βάθος bit για να επιτύχετε υψηλότερο βάθος bit της τελικής μετατροπής. Συχνά ένα δέλτα-σίγμα DAC δημιουργείται με βάση ένα απλό DAC ενός bit, το οποίο είναι πρακτικά γραμμικό. Το DAC χαμηλών bit λαμβάνει παλμικό σήμαμε διαμορφωμένη πυκνότητα παλμού (με σταθερή διάρκεια παλμού, αλλά με μεταβλητό κύκλο λειτουργίας), που δημιουργήθηκε με χρήση αρνητικής ανάδρασης. Η αρνητική ανάδραση λειτουργεί ως υψηλοπερατό φίλτρο για το θόρυβο κβαντοποίησης.

Τα περισσότερα DAC μεγάλων bit (περισσότερα από 16 bit) είναι κατασκευασμένα με βάση αυτήν την αρχή λόγω της υψηλής γραμμικότητας και του χαμηλού κόστους του. Η ταχύτητα του δέλτα-σίγμα DAC φτάνει τις εκατοντάδες χιλιάδες δείγματα ανά δευτερόλεπτο, το βάθος bit είναι έως και 24 bit. Για τη δημιουργία ενός σήματος διαμορφωμένης πυκνότητας παλμού, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένας απλός διαμορφωτής δέλτα-σίγμα πρώτης τάξης ή υψηλότερης τάξης, όπως το MASH (Multi stage noise SHaping). Η αύξηση της συχνότητας επαναδειγματοληψίας αμβλύνει τις απαιτήσεις για το χαμηλοπερατό φίλτρο εξόδου και βελτιώνει την καταστολή θορύβου κβαντοποίησης.

Ένα DAC τύπου ζύγισης στο οποίο κάθε bit του μετατρεπόμενου δυαδικού κώδικα αντιστοιχεί σε μια αντίσταση ή μια πηγή ρεύματος συνδεδεμένη σε ένα κοινό σημείο άθροισης. Το ρεύμα πηγής (αγωγιμότητα της αντίστασης) είναι ανάλογο με το βάρος του bit στο οποίο αντιστοιχεί. Έτσι, όλα τα μη μηδενικά bits του κώδικα προστίθενται στο βάρος. Η μέθοδος ζύγισης είναι από τις ταχύτερες, αλλά χαρακτηρίζεται από χαμηλή ακρίβεια λόγω της ανάγκης για ένα σύνολο διαφορετικών πηγών ή αντιστάσεων ακριβείας και μεταβλητής σύνθετης αντίστασης. Για το λόγο αυτό, τα DAC ζύγισης έχουν μέγιστο πλάτος οκτώ bit.

Τύπος σκάλας DAC (κύκλωμα αλυσίδας R-2R). Στο R-2R-DAC, οι τιμές δημιουργούνται σε ένα ειδικό κύκλωμα που αποτελείται από αντιστάσεις με αντιστάσεις R και 2R, που ονομάζεται μήτρα σταθερής αντίστασης, που έχει δύο τύπους σύνδεσης: μήτρα συνεχούς ρεύματος και μήτρα αντίστροφης τάσης. Η χρήση πανομοιότυπων αντιστάσεων μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ακρίβεια σε σύγκριση με ένα συμβατικό DAC ζύγισης, καθώς είναι σχετικά απλό να παραχθεί ένα σύνολο στοιχείων ακριβείας με τις ίδιες παραμέτρους. Τα DAC τύπου R-2R σάς επιτρέπουν να ωθήσετε τους περιορισμούς στο βάθος bit. Με το κόψιμο με λέιζερ των αντιστάσεων σε ένα υπόστρωμα, επιτυγχάνεται ακρίβεια 20-22 bit. Το μεγαλύτερο μέρος του χρόνου μετατροπής δαπανάται στον λειτουργικό ενισχυτή, επομένως πρέπει να έχει μέγιστη απόδοση. Η ταχύτητα DAC είναι μερικά μικροδευτερόλεπτα ή λιγότερο (δηλαδή, νανοδευτερόλεπτα).

Χαρακτηριστικά

Τα DAC βρίσκονται στην αρχή της αναλογικής διαδρομής οποιουδήποτε συστήματος, επομένως οι παράμετροι του DAC καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό τις παραμέτρους ολόκληρου του συστήματος στο σύνολό του. Τα παρακάτω είναι τα περισσότερα σημαντικά χαρακτηριστικά DAC.

Το βάθος bit είναι ο αριθμός των διαφορετικών επιπέδων σήματος εξόδου που μπορεί να αναπαράγει το DAC. Τυπικά καθορίζεται σε bit. Ο αριθμός των bit είναι ο λογάριθμος βάσης 2 του αριθμού των επιπέδων. Για παράδειγμα, ένα DAC ενός bit είναι ικανό να αναπαράγει δύο () επίπεδα και ένα DAC οκτώ bit μπορεί να αναπαράγει 256 () επίπεδα. Το βάθος bit σχετίζεται στενά με τον πραγματικό αριθμό bit (ENOB, Effective Number of Bits), ο οποίος δείχνει την πραγματική ανάλυση που μπορεί να επιτευχθεί σε ένα δεδομένο DAC.

Η μέγιστη συχνότητα δειγματοληψίας είναι η μέγιστη συχνότητα στην οποία μπορεί να λειτουργήσει το DAC, παράγοντας το σωστό αποτέλεσμα στην έξοδο. Σύμφωνα με το θεώρημα Nyquist-Shannon (γνωστό και ως θεώρημα Kotelnikov), για να αναπαραχθεί σωστά ένα αναλογικό σήμα από μια ψηφιακή μορφή, η συχνότητα δειγματοληψίας πρέπει να είναι τουλάχιστον διπλάσια από τη μέγιστη συχνότητα στο φάσμα του σήματος. Για παράδειγμα, για την αναπαραγωγή ολόκληρου του εύρους συχνοτήτων ακουστικού ήχου, το φάσμα του οποίου εκτείνεται έως και 20 kHz, είναι απαραίτητο να γίνει δειγματοληψία του σήματος ήχου σε συχνότητα τουλάχιστον 40 kHz. Το πρότυπο Audio CD ορίζει τον ρυθμό δειγματοληψίας ήχου στα 44,1 kHz. να παίξουμε δίνεται σήμαΘα χρειαστείτε ένα DAC ικανό να λειτουργεί σε αυτή τη συχνότητα. Οι φτηνές κάρτες ήχου υπολογιστή έχουν ρυθμό δειγματοληψίας 48 kHz. Τα σήματα δειγματοληψίας σε άλλες συχνότητες επαναδειγματοληπτούνται στα 48 kHz, γεγονός που υποβαθμίζει εν μέρει την ποιότητα του σήματος.

Η μονοτονικότητα είναι η ιδιότητα ενός DAC να αυξάνει το αναλογικό σήμα εξόδου καθώς αυξάνεται ο κωδικός εισόδου.

Το THD+N (ολική αρμονική παραμόρφωση + θόρυβος) είναι ένα μέτρο της παραμόρφωσης και του θορύβου που εισάγεται στο σήμα από το DAC. Εκφράζεται ως ποσοστό της αρμονικής ισχύος και του θορύβου στο σήμα εξόδου. Μια σημαντική παράμετρος για εφαρμογές DAC μικρού σήματος.

Το δυναμικό εύρος είναι η αναλογία των μεγαλύτερων και μικρότερων σημάτων που μπορεί να αναπαράγει ένα DAC, εκφραζόμενη σε ντεσιμπέλ. Αυτή η παράμετρος σχετίζεται με το βάθος bit και το κατώφλι θορύβου.

Στατικά χαρακτηριστικά:

DNL (διαφορική μη γραμμικότητα) - χαρακτηρίζει πόσο διαφέρει από τη σωστή τιμή η αύξηση του αναλογικού σήματος που λαμβάνεται αυξάνοντας τον κώδικα κατά 1 λιγότερο σημαντικό bit (LSB).

INL (integral nonlinearity) - χαρακτηρίζει πόσο διαφέρει το χαρακτηριστικό μεταφοράς του DAC από το ιδανικό. Το ιδανικό χαρακτηριστικό είναι αυστηρά γραμμικό. Το INL δείχνει πόσο απέχει η τάση στην έξοδο DAC για έναν δεδομένο κωδικό από το γραμμικό χαρακτηριστικό. εκφράζεται σε κατώτατο μισθό·

κέρδος;

προκατάληψη.

Χαρακτηριστικά συχνότητας:

SNDR (λόγος σήματος προς θόρυβο + παραμόρφωση) - χαρακτηρίζει σε ντεσιμπέλ την αναλογία της ισχύος του σήματος εξόδου προς τη συνολική ισχύ του θορύβου και της αρμονικής παραμόρφωσης.

HDi (i-ος αρμονικός συντελεστής) - χαρακτηρίζει τον λόγο της i-ης αρμονικής προς τη θεμελιώδη αρμονική.

THD (αρμονικός συντελεστής παραμόρφωσης) - ο λόγος της συνολικής ισχύος όλων των αρμονικών (εκτός της πρώτης) προς την ισχύ της πρώτης αρμονικής

Διάλεξη Νο. 3

"Μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακό και ψηφιακό σε αναλογικό."

Στα συστήματα μικροεπεξεργαστών, ο ρόλος ενός στοιχείου παλμού εκτελείται από έναν μετατροπέα αναλογικού σε ψηφιακό (ADC) και τον ρόλο ενός παρεκβολέα από έναν μετατροπέα ψηφιακού σε αναλογικό (DAC).

Μετατροπή αναλογικού σε ψηφιακόσυνίσταται στη μετατροπή των πληροφοριών που περιέχονται σε ένα αναλογικό σήμα σε ψηφιακό κωδικό . Μετατροπή ψηφιακού σε αναλογικόέχει σχεδιαστεί για να εκτελεί την αντίστροφη εργασία, δηλ. μετατρέψτε έναν αριθμό που αναπαρίσταται ως ψηφιακός κωδικός σε ισοδύναμο αναλογικό σήμα.

Τα ADC, κατά κανόνα, εγκαθίστανται στα κυκλώματα ανάδρασης των ψηφιακών συστημάτων ελέγχου για τη μετατροπή των αναλογικών σημάτων ανάδρασης σε κωδικούς που γίνονται αντιληπτοί από το ψηφιακό μέρος του συστήματος. Οτι. Τα ADC εκτελούν διάφορες λειτουργίες, όπως: δειγματοληψία χρόνου, κβαντοποίηση επιπέδου, κωδικοποίηση. Ένα γενικευμένο μπλοκ διάγραμμα του ADC φαίνεται στο Σχ. 3.1.

Ένα σήμα με τη μορφή ρεύματος ή τάσης παρέχεται στην είσοδο του ADC, το οποίο κβαντοποιείται ανά επίπεδο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μετατροπής. Το ιδανικό στατικό χαρακτηριστικό ενός ADC 3 bit φαίνεται στο Σχ. 3.2.

Τα σήματα εισόδου μπορούν να λάβουν οποιαδήποτε τιμή στην περιοχή από - Umax σε Umax , και το Σαββατοκύριακο αντιστοιχεί σε οκτώ (2 3) διακριτά επίπεδα. Η τιμή της τάσης εισόδου στην οποία λαμβάνει χώρα μια μετάβαση από μια τιμή του κωδικού εξόδου ADC σε μια άλλη γειτονική τιμή ονομάζεται τάση μετάβασης διακωδικών. Η διαφορά μεταξύ δύο γειτονικών τιμών μεταβάσεων ενδοκώδικα ονομάζεται βήμα κβαντισμούή μονάδα του λιγότερο σημαντικού bit (LSB).Το σημείο εκκίνησης των χαρακτηριστικών μετασχηματισμούείναι το σημείο που ορίζεται από την τιμή του σήματος εισόδου, που ορίζεται ως

(3.1),

όπου U 0.1 – τάση της πρώτης μετάβασης διακωδικών, U LSB – βήμα κβαντισμού ( LSB – Λιγότερο σημαντικό κομμάτι ). η μετατροπή αντιστοιχεί στην τάση εισόδου που καθορίζεται από τη σχέση

(3.2).

Το εύρος τάσης εισόδου ADC περιορίζεται σε U 0,1 και U N-1,N που ονομάζεται εύρος τάσης εισόδου.

(3.3).

Εύρος τάσης εισόδου και τιμή LSBΝ -bit ADC και DAC συνδέονται με τη σχέση

(3.4).

Τάση

(3.5)

που ονομάζεται τάση πλήρους κλίμακας ( FSR – Εύρος πλήρους κλίμακας ). Συνήθως, αυτή η παράμετρος καθορίζεται από το επίπεδο εξόδου της πηγής τάσης αναφοράς που είναι συνδεδεμένη στο ADC. Το μέγεθος του βήματος κβαντοποίησης ή της μονάδας του λιγότερο σημαντικού ψηφίου, π.χ. ίσο με

(3.6),

και την τιμή της μονάδας του πιο σημαντικού ψηφίου

(3.7).

Όπως φαίνεται από το Σχ. 3.2, κατά τη διαδικασία μετατροπής εμφανίζεται ένα σφάλμα που δεν υπερβαίνει το μισό της τιμής του λιγότερο σημαντικού bit U LSB /2.

Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι μετατροπής αναλογικού σε ψηφιακό, που διαφέρουν ως προς την ακρίβεια και την ταχύτητα. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτά τα χαρακτηριστικά είναι ανταγωνιστικά μεταξύ τους. Επί του παρόντος, τέτοιοι τύποι μετατροπέων όπως ADC διαδοχικών προσεγγίσεων (εξισορρόπηση bitwise), ενσωμάτωση ADC, παράλληλες (Λάμψη ) ADC, «σίγμα-δέλτα» ADC, κ.λπ.

Το μπλοκ διάγραμμα της διαδοχικής προσέγγισης ADC φαίνεται στο Σχ. 3.3.

Τα κύρια στοιχεία της συσκευής είναι ένας συγκριτής (K), ένας μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) και ένα κύκλωμα λογικού ελέγχου. Η αρχή της μετατροπής βασίζεται σε μια διαδοχική σύγκριση του επιπέδου σήματος εισόδου με τα επίπεδα σήματος που αντιστοιχούν σε διάφορους συνδυασμούς του κώδικα εξόδου και στον σχηματισμό του προκύπτοντος κώδικα με βάση τα αποτελέσματα των συγκρίσεων. Η σειρά των συγκριτικών κωδικών ικανοποιεί τον κανόνα των μισών. Στην αρχή της μετατροπής, ο κωδικός εισόδου DAC ορίζεται σε μια κατάσταση στην οποία όλα τα bit εκτός από τα πιο σημαντικά είναι 0 και το πιο σημαντικό είναι 1. Με αυτόν τον συνδυασμό, μια τάση ίση με το μισό εύρος τάσης εισόδου δημιουργείται στο την έξοδο DAC. Αυτή η τάση συγκρίνεται με την τάση εισόδου στον συγκριτή. Εάν το σήμα εισόδου είναι μεγαλύτερο από το σήμα που προέρχεται από το DAC, τότε το πιο σημαντικό bit του κωδικού εξόδου ορίζεται στο 1, διαφορετικά επαναφέρεται στο 0. Στον επόμενο κύκλο ρολογιού, ο κωδικός που σχηματίζεται μερικώς με αυτόν τον τρόπο είναι και πάλι που λαμβάνεται στην είσοδο του DAC, το επόμενο bit ορίζεται σε ένα και η σύγκριση επαναλαμβάνεται. Η διαδικασία συνεχίζεται μέχρι να συγκριθεί το λιγότερο σημαντικό bit. Οτι. σχηματίζωΝ -Απαιτείται κωδικός εξόδου bitΝ πανομοιότυποι στοιχειώδεις κύκλοι σύγκρισης. Αυτό σημαίνει ότι, αν και άλλα πράγματα είναι ίσα, η απόδοση ενός τέτοιου ADC μειώνεται καθώς αυξάνεται η χωρητικότητα bit του. Τα εσωτερικά στοιχεία της διαδοχικής προσέγγισης ADC (DAC και συγκριτής) πρέπει να έχουν ακρίβεια μεγαλύτερη από το μισό του λιγότερο σημαντικού bit του ADC.

Μπλοκ διάγραμμα παραλλήλου (Λάμψη ) Το ADC φαίνεται στο Σχ. 3.4.

Σε αυτήν την περίπτωση, η τάση εισόδου παρέχεται αμέσως για σύγκριση με τις εισόδους με το ίδιο όνομαΝ -1 συγκρίσεις. Οι αντίθετες είσοδοι των συγκριτών τροφοδοτούνται με σήματα από έναν διαιρέτη τάσης υψηλής ακρίβειας, ο οποίος συνδέεται με μια πηγή τάσης αναφοράς. Σε αυτή την περίπτωση, οι τάσεις από τις εξόδους του διαχωριστή κατανέμονται ομοιόμορφα σε όλο το εύρος των αλλαγών στο σήμα εισόδου. Ο κωδικοποιητής προτεραιότητας παράγει ένα ψηφιακό σήμα εξόδου που αντιστοιχεί στον υψηλότερο συγκριτή με το σήμα εξόδου ενεργοποιημένο. Οτι. για την παροχήΝ -απαιτείται μετατροπή bit 2Ν διαχωριστικές αντιστάσεις και 2Ν -1 συγκριτικός. Αυτή είναι μια από τις πιο γρήγορες μεθόδους μετατροπής. Ωστόσο, με μεγάλη χωρητικότητα απαιτεί μεγάλο κόστος υλικού. Η ακρίβεια όλων των αντιστάσεων διαιρέτη και σύγκρισης πρέπει και πάλι να είναι καλύτερη από τη μισή τιμή LSB.

Το μπλοκ διάγραμμα του ADC διπλής ολοκλήρωσης φαίνεται στο Σχ. 3.5.

Τα κύρια στοιχεία του συστήματος είναι ένας αναλογικός διακόπτης που αποτελείται από κλειδιάΝΔ 1, ΝΔ 2, ΝΔ 3, ολοκληρωτής I, συγκριτής Κ και μετρητής C. Η διαδικασία μετατροπής αποτελείται από τρεις φάσεις (Εικ. 3.6).

Στην πρώτη φάση το κλειδί είναι κλειστό S.W. 1 και τα υπόλοιπα κλειδιά είναι ανοιχτά. Μέσω κλειστού κλειδιού S.W. 1, η τάση εισόδου εφαρμόζεται σε έναν ολοκληρωτή, ο οποίος ενσωματώνει το σήμα εισόδου σε ένα σταθερό χρονικό διάστημα. Μετά από αυτό το χρονικό διάστημα, η στάθμη του σήματος εξόδου του ολοκληρωτή είναι ανάλογη με την τιμή του σήματος εισόδου. Στο δεύτερο στάδιο του μετασχηματισμού, το κλειδί S.W. 1 ανοίγει και το κλειδί S.W. 2 κλείνει και ένα σήμα από την πηγή τάσης αναφοράς παρέχεται στην είσοδο του ολοκληρωτή. Ο πυκνωτής ολοκληρωτή αποφορτίζεται από την τάση που συσσωρεύεται στο πρώτο διάστημα μετατροπής με σταθερό ρυθμό ανάλογο με την τάση αναφοράς. Αυτό το στάδιο συνεχίζεται έως ότου η τάση εξόδου του ολοκληρωτή πέσει στο μηδέν, όπως υποδεικνύεται από την έξοδο του συγκριτή, ο οποίος συγκρίνει το σήμα του ολοκληρωτή με το μηδέν. Η διάρκεια του δεύτερου σταδίου είναι ανάλογη με την τάση εισόδου του μετατροπέα. Κατά τη διάρκεια ολόκληρου του δεύτερου σταδίου, παλμοί υψηλής συχνότητας με βαθμονομημένη συχνότητα αποστέλλονται στον μετρητή. Οτι. Μετά το δεύτερο στάδιο, οι ενδείξεις του ψηφιακού μετρητή είναι ανάλογες της τάσης εισόδου. Χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, μπορείτε να επιτύχετε πολύ καλή ακρίβεια χωρίς παρουσίαση υψηλές απαιτήσειςστην ακρίβεια και τη σταθερότητα των εξαρτημάτων. Συγκεκριμένα, η σταθερότητα της χωρητικότητας του ολοκληρωτή μπορεί να μην είναι υψηλή, καθώς οι κύκλοι φόρτισης και εκφόρτισης συμβαίνουν με ρυθμό αντιστρόφως ανάλογο της χωρητικότητας. Επιπλέον, τα σφάλματα μετατόπισης και μετατόπισης του συγκριτή αντισταθμίζονται ξεκινώντας και τελειώνοντας κάθε βήμα μετατροπής στην ίδια τάση. Για να αυξηθεί η ακρίβεια, χρησιμοποιείται το τρίτο στάδιο μετατροπής, όταν ο ολοκληρωτής εισέρχεται μέσω ενός κλειδιού S.W. 3 δίνεται ένα σήμα μηδέν. Επειδή ο ίδιος ολοκληρωτής και ο ίδιος συγκριτής χρησιμοποιούνται σε αυτό το βήμα, η αφαίρεση της τιμής του σφάλματος εξόδου στο μηδέν από την επόμενη μέτρηση μπορεί να αντισταθμίσει τα σφάλματα που σχετίζονται με μετρήσεις κοντά στο μηδέν. Δεν επιβάλλονται αυστηρές απαιτήσεις ακόμη και στη συχνότητα των παλμών ρολογιού που φτάνουν στον μετρητή, επειδή ένα σταθερό χρονικό διάστημα στο πρώτο στάδιο της μετατροπής σχηματίζεται από τους ίδιους παλμούς. Αυστηρές απαιτήσεις επιβάλλονται μόνο στο ρεύμα εκφόρτισης, δηλ. στην πηγή τάσης αναφοράς. Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου μετατροπής είναι η χαμηλή απόδοση.

Τα ADC χαρακτηρίζονται από έναν αριθμό παραμέτρων που καθιστούν δυνατή την επιλογή μιας συγκεκριμένης συσκευής με βάση τις απαιτήσεις για το σύστημα. Όλες οι παράμετροι ADC μπορούν να χωριστούν σε δύο ομάδες: στατικές και δυναμικές. Οι πρώτοι καθορίζουν τα χαρακτηριστικά ακρίβειας της συσκευής όταν εργάζονται με σταθερό ή αργά μεταβαλλόμενο σήμα εισόδου και οι δεύτεροι χαρακτηρίζουν την απόδοση της συσκευής ως διατήρηση της ακρίβειας καθώς αυξάνεται η συχνότητα του σήματος εισόδου.

Το επίπεδο κβαντισμού που βρίσκεται κοντά στο μηδέν του σήματος εισόδου αντιστοιχεί σε τάσεις μετάβασης μεταξύ κωδικών -0,5 U LSB και 0,5 U LSB (το πρώτο εμφανίζεται μόνο στην περίπτωση διπολικού σήματος εισόδου). Ωστόσο, σε πραγματικές συσκευές, αυτές οι τάσεις μετάβασης ενδοκωδικών ενδέχεται να διαφέρουν από αυτές τις ιδανικές τιμές. Η απόκλιση των πραγματικών επιπέδων αυτών των τάσεων μετάβασης ενδοκώδικα από τις ιδανικές τιμές τους ονομάζεται διπολικό σφάλμα μηδενικής μετατόπισης (Διπολικό μηδενικό σφάλμα ) Και μονοπολικό σφάλμα μηδενικής μετατόπισης (Σφάλμα μηδενικής μετατόπισης ) αντίστοιχα. Για εύρη διπολικής μετατροπής, χρησιμοποιείται συνήθως το μηδενικό σφάλμα μετατόπισης και για εύρη μονοπολικής μετατροπής, συνήθως χρησιμοποιείται το σφάλμα μονοπολικής μετατόπισης. Αυτό το σφάλμα οδηγεί σε παράλληλη μετατόπιση του χαρακτηριστικού πραγματικού μετασχηματισμού σε σχέση με το ιδανικό χαρακτηριστικό κατά μήκος του άξονα της τετμημένης (Εικ. 3.7).

Απόκλιση της στάθμης του σήματος εισόδου που αντιστοιχεί στην τελευταία μετάβαση του ενδοκώδικα από την ιδανική τιμή του U FSR -1,5 U LSB , που ονομάζεται πλήρους κλίμακας σφάλμα (Σφάλμα πλήρους κλίμακας).

Συντελεστής Μετατροπή ADC ονομάζεται η εφαπτομένη της γωνίας κλίσης της ευθείας που διασχίζεται από τα σημεία έναρξης και τέλους του χαρακτηριστικού πραγματικού μετασχηματισμού. Η διαφορά μεταξύ των πραγματικών και των ιδανικών τιμών του συντελεστή μετατροπής ονομάζεται σφάλμα συντελεστή μετατροπής (Σφάλμα κέρδους ) (Εικ. 3.7) Περιλαμβάνει σφάλματα στα άκρα της κλίμακας, αλλά δεν περιλαμβάνει σφάλματα στο μηδέν της κλίμακας. Για το μονοπολικό εύρος ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ του σφάλματος πλήρους κλίμακας και του μονοπολικού σφάλματος μηδενικής μετατόπισης και για το διπολικό εύρος ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ του σφάλματος πλήρους κλίμακας και του διπολικού σφάλματος μηδενικής μετατόπισης. Στην πραγματικότητα, σε κάθε περίπτωση, αυτή είναι μια απόκλιση της ιδανικής απόστασης μεταξύ της τελευταίας και της πρώτης μετάβασης διακωδικών (ίση με U FSR -2 U LSB ) από την πραγματική του αξία.

Τα σφάλματα μηδενικής μετατόπισης και απολαβής μπορούν να αντισταθμιστούν ρυθμίζοντας τον προενισχυτή ADC. Για να γίνει αυτό, πρέπει να έχετε ένα βολτόμετρο με ακρίβεια όχι χειρότερη από 0,1 U LSB . Για να διασφαλίσετε την ανεξαρτησία αυτών των δύο σφαλμάτων, διορθώστε πρώτα το μηδενικό σφάλμα μετατόπισης και μετά το σφάλμα του συντελεστή μετατροπής.Για να διορθώσετε το σφάλμα μηδενικής μετατόπισης ADC, πρέπει:

1. Ρυθμίστε την τάση εισόδου ακριβώς στο 0,5 U LSB;

2. Ρυθμίστε τη μετατόπιση προενισχυτής ADC μέχρι το ADC να αλλάξει στην κατάσταση 00...01.

Για να διορθώσετε το σφάλμα του συντελεστή μετατροπής είναι απαραίτητο:

1. Ρυθμίστε την τάση εισόδου ακριβώς στο επίπεδο U FSR -1,5 U LSB ;

2. Ρυθμίστε το κέρδος του προενισχυτή ADC έως ότου ο ADC μεταβεί στην κατάσταση 11...1.

Λόγω της ατέλειας των στοιχείων του κυκλώματος ADC, τα βήματα σε διαφορετικά σημεία των χαρακτηριστικών ADC διαφέρουν μεταξύ τους σε μέγεθος και δεν είναι ίσα U LSB (Εικ. 3.8).

Απόκλιση της απόστασης μεταξύ των μεσαίων σημείων δύο γειτονικών βημάτων κβαντισμού από την ιδανική τιμή του βήματος κβαντισμού U LSB που ονομάζεται διαφορική μη γραμμικότητα (DNL – Διαφορική μη γραμμικότητα).Εάν DNL μεγαλύτερο ή ίσο με U LSB , τότε το ADC μπορεί να έχει τους λεγόμενους «κώδικες που λείπουν» (Εικ. 3.3). Αυτό συνεπάγεται μια τοπική απότομη αλλαγή στον συντελεστή μετάδοσης ADC, η οποία στα συστήματα ελέγχου κλειστού βρόχου μπορεί να οδηγήσει σε απώλεια σταθερότητας.

Για εκείνες τις εφαρμογές όπου είναι σημαντικό να διατηρείται το σήμα εξόδου με δεδομένη ακρίβεια, είναι σημαντικό οι κωδικοί εξόδου ADC να ταιριάζουν όσο το δυνατόν περισσότερο με τις τάσεις μετάβασης μεταξύ των κωδικών. Η μέγιστη απόκλιση του κέντρου του βήματος κβαντισμού στο πραγματικό χαρακτηριστικό ADC από το γραμμικό χαρακτηριστικό ονομάζεται ολοκληρωτική μη γραμμικότητα (INL – Integral Nonlinearity) ήσχετική ακρίβεια (Σχετική Ακρίβεια) ADC (Εικ. 3.9).

Το γραμμικοποιημένο χαρακτηριστικό αντλείται μέσω των ακραίων σημείων του χαρακτηριστικού πραγματικού μετασχηματισμού, αφού αυτά έχουν βαθμονομηθεί, δηλ. Τα σφάλματα μηδενικής μετατόπισης και συντελεστή μετατροπής έχουν εξαλειφθεί.

Είναι σχεδόν αδύνατο να αντισταθμιστούν τα σφάλματα στη διαφορική και ολοκληρωτική μη γραμμικότητα χρησιμοποιώντας απλά μέσα.

Ανάλυση ADC (Ανάλυση ) είναι το αντίστροφο του μέγιστου αριθμού συνδυασμών κώδικα στην έξοδο ADC

(3.8).

Αυτή η παράμετρος καθορίζει το ελάχιστο επίπεδο σήματος εισόδου (σε σχέση με το σήμα πλήρους πλάτους) που μπορεί να αντιληφθεί το ADC.

Η ακρίβεια και η ανάλυση είναι δύο ανεξάρτητα χαρακτηριστικά. Η ανάλυση παίζει καθοριστικό ρόλο όταν είναι σημαντικό να παρέχεται ένα δεδομένο δυναμικό εύρος του σήματος εισόδου. Η ακρίβεια είναι κρίσιμη όταν είναι απαραίτητο να διατηρηθεί η ελεγχόμενη μεταβλητή σε ένα δεδομένο επίπεδο με μια σταθερή ακρίβεια.

Δυναμικό εύρος του ADC (DR - Dynamic Range ) είναι ο λόγος του μέγιστου αντιληπτού επιπέδου τάσης εισόδου προς το ελάχιστο, εκφρασμένος σε dB

(3.9).

Αυτή η παράμετρος καθορίζει τη μέγιστη ποσότητα πληροφοριών που μπορεί να μεταδώσει το ADC. Έτσι, για ένα ADC 12-bit DR =72 dB.

Τα χαρακτηριστικά των πραγματικών ADC διαφέρουν από τα χαρακτηριστικά των ιδανικών συσκευών λόγω των μη ιδανικών στοιχείων της πραγματικής συσκευής. Ας εξετάσουμε μερικές παραμέτρους που χαρακτηρίζουν τα πραγματικά ADC.

Αναλογία σήματος προς θόρυβο(SNR – Αναλογία σήματος προς θόρυβο ) είναι ο λόγος της τιμής rms του ημιτονοειδούς σήματος εισόδου προς την τιμή rms του θορύβου, ο οποίος ορίζεται ως το άθροισμα όλων των άλλων φασματικών στοιχείων μέχρι το ήμισυ της συχνότητας δειγματοληψίας, εξαιρουμένης της συνιστώσας DC. Για το τέλειοΝ -bit ADC που παράγει μόνο θόρυβο κβαντοποίησης SNR , που εκφράζεται σε ντεσιμπέλ, μπορεί να οριστεί ως

(3.10),

όπου ο Ν – Χωρητικότητα ADC. Έτσι, για ένα ιδανικό ADC 12 bit SNR =74 dB. Αυτή η τιμή είναι μεγαλύτερη από την τιμή δυναμικό εύροςτο ίδιο ADC γιατί Το ελάχιστο επίπεδο του αντιληπτού σήματος πρέπει να είναι μεγαλύτερο από το επίπεδο θορύβου. Αυτός ο τύπος λαμβάνει υπόψη μόνο τον θόρυβο κβαντοποίησης και δεν λαμβάνει υπόψη άλλες πηγές θορύβου που υπάρχουν σε πραγματικούς ADC. Επομένως, οι αξίες SNR για πραγματικούς ADC είναι συνήθως χαμηλότερο από το ιδανικό. Τυπική αξία SNR για ένα πραγματικό ADC 12-bit είναι 68-70 dB.

Εάν το σήμα εισόδου έχει μικρότερη ταλάντευση U FSR , τότε ο τελευταίος τύπος πρέπει να προσαρμοστεί

(3.11),

όπου KOS είναι η εξασθένηση του σήματος εισόδου, εκφρασμένη σε dB. Έτσι, εάν το σήμα εισόδου ενός ADC 12-bit έχει πλάτος 10 φορές μικρότερο από το μισό της τάσης πλήρους κλίμακας, τότε KOS = -20 dB και SNR =74 dB – 20 dB = 54 dB.

Πραγματική αξία SNR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό του ενεργού αριθμού των bit ADC( ENOB – Πραγματικός αριθμός bit ). Καθορίζεται από τον τύπο

(3.12).

Αυτός ο δείκτης μπορεί να χαρακτηρίσει την πραγματική αποφασιστική ικανότητα ενός πραγματικού ADC. Έτσι, ένα ADC 12-bit για το οποίο SNR =68 dB για ένα σήμα με KOS = -20 dB είναι στην πραγματικότητα 7-bit (ΕΝΟΒ =7,68). Τιμή ENOB εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη συχνότητα του σήματος εισόδου, δηλ. Η αποτελεσματική χωρητικότητα bit του ADC μειώνεται με την αύξηση της συχνότητας.

Συνολική αρμονική παραμόρφωση ( THD – Ολική Αρμονική Παραμόρφωση ) είναι ο λόγος του αθροίσματος των τιμών του μέσου τετραγώνου της ρίζας όλων των υψηλότερων αρμονικών προς την τιμή ρίζας του μέσου τετραγώνου της θεμελιώδους αρμονικής

(3.13),

όπου n συνήθως περιορίζεται στο επίπεδο 6 ή 9. Αυτή η παράμετρος χαρακτηρίζει το επίπεδο αρμονικής παραμόρφωσης του σήματος εξόδου ADC σε σύγκριση με την είσοδο. THD αυξάνεται με τη συχνότητα του σήματος εισόδου.

Πλήρης ζώνη συχνοτήτων ισχύος ( FPBW – Εύρος ζώνης πλήρους ισχύος ) είναι η μέγιστη συχνότητα κορυφής σε κορυφή του σήματος εισόδου στην οποία το πλάτος του ανακατασκευασμένου θεμελιώδους στοιχείου μειώνεται κατά όχι περισσότερο από 3 dB. Καθώς αυξάνεται η συχνότητα του σήματος εισόδου, τα αναλογικά κυκλώματα του ADC δεν έχουν πλέον χρόνο να επεξεργαστούν τις αλλαγές του με δεδομένη ακρίβεια, γεγονός που οδηγεί σε μείωση του συντελεστή μετατροπής του ADC στις υψηλές συχνότητες.

Χρόνος τακτοποίησης (Ώρα τακτοποίησης ) είναι ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει το ADC την ονομαστική του ακρίβεια μετά την εφαρμογή ενός σήματος βήματος με πλάτος ίσο με το πλήρες εύρος του σήματος εισόδου στην είσοδό του. Αυτή η παράμετρος είναι περιορισμένη λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας διαφόρων κόμβων ADC.

Λόγω διαφόρων τύπων σφαλμάτων, τα χαρακτηριστικά ενός πραγματικού ADC είναι μη γραμμικά. Εάν ένα σήμα του οποίου το φάσμα αποτελείται από δύο αρμονικές εφαρμόζεται στην είσοδο μιας συσκευής με μη γραμμικότητεςστ α και στ β , τότε στο φάσμα του σήματος εξόδου μιας τέτοιας συσκευής, εκτός από τις κύριες αρμονικές, θα υπάρχουν υποαρμονικές ενδοδιαμόρφωσης με συχνότητες, όπου m, n =1,2,3,... Υποαρμονικές δεύτερης τάξης είναι f a + f b , f a - f b , οι υποαρμονικές τρίτης τάξης είναι 2 f a + f b , 2 f a - f b , f a +2 f b , f a -2 f b . Εάν τα ημιτονοειδή εισόδου έχουν παρόμοιες συχνότητες που βρίσκονται κοντά στο επάνω άκρηζώνη διέλευσης, τότε οι υποαρμονικές δεύτερης τάξης απέχουν πολύ από τα ημιτονοειδή εισόδου και βρίσκονται στην περιοχή χαμηλής συχνότητας, ενώ οι υποαρμονικές τρίτης τάξης έχουν συχνότητες κοντά στις συχνότητες εισόδου.

Συντελεστής παραμόρφωσης ενδοδιαμόρφωσης (Διαμορφωτική παραμόρφωση ) είναι ο λόγος του αθροίσματος των τιμών ρίζας-μέσου τετραγώνου των υποαρμονικών ενδοδιαμόρφωσης ορισμένης τάξης προς το άθροισμα των τιμών ρίζας-μέσου τετραγώνου των θεμελιωδών αρμονικών, που εκφράζεται σε dB

(3.14).

Οποιαδήποτε μέθοδος μετατροπής αναλογικού σε ψηφιακό απαιτεί κάποιο πεπερασμένο χρόνο για να ολοκληρωθεί. Κάτω από Χρόνος μετατροπής ADC (Χρόνος μετατροπής ) αναφέρεται στο χρονικό διάστημα από τη στιγμή που το αναλογικό σήμα φτάνει στην είσοδο ADC μέχρι να εμφανιστεί ο αντίστοιχος κωδικός εξόδου. Εάν το σήμα εισόδου του ADC αλλάζει με την πάροδο του χρόνου, τότε ο πεπερασμένος χρόνος μετατροπής του ADC οδηγεί στην εμφάνιση του λεγόμενου. σφάλμα διαφράγματος(Εικ. 3.10).

Το σήμα έναρξης μετατροπής φτάνει τη στιγμή t 0 , και ο κωδικός εξόδου εμφανίζεται αυτή τη στιγμή t 1 . Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, το σήμα εισόδου κατάφερε να αλλάξει κατά την ποσότηταρε U . Προκύπτει αβεβαιότητα: ποιο επίπεδο της τιμής του σήματος εισόδου βρίσκεται στην περιοχή U 0 – U 0 + ρε U αντιστοιχεί σε αυτόν τον κωδικό εξόδου. Για να διατηρηθεί η ακρίβεια μετατροπής στο επίπεδο της ενότητας του λιγότερο σημαντικού bit, είναι απαραίτητο κατά τη διάρκεια του χρόνου μετατροπής η αλλαγή στην τιμή του σήματος στην είσοδο του ADC να μην υπερβαίνει την τιμή ενός από τα ελάχιστα σημαντικό κομμάτι

(3.15).

Η αλλαγή στο επίπεδο σήματος κατά τη μετατροπή μπορεί να υπολογιστεί περίπου ως

(3.16),

όπου Uin – Τάση εισόδου ADC, Tc – χρόνος μετατροπής. Αντικαθιστώντας το (3.16) στο (3.15) παίρνουμε

(3.17).

Εάν η είσοδος είναι ένα ημιτονοειδές σήμα με συχνότηταφά

(3.18),

τότε η παράγωγός του θα είναι ίση

(3.19).

Λαμβάνει τη μέγιστη τιμή του όταν το συνημίτονο είναι ίσο με 1. Αντικαθιστώντας το (3,9) με το (3,7) έχοντας αυτό κατά νου, παίρνουμε

, ή

(3.20)

Ο πεπερασμένος χρόνος μετατροπής του ADC οδηγεί στην απαίτηση περιορισμού του ρυθμού μεταβολής του σήματος εισόδου. Για να μειωθεί το σφάλμα διαφράγματος κ.λπ. για να αποδυναμωθεί ο περιορισμός στον ρυθμό μεταβολής του σήματος εισόδου ADC στην είσοδο του μετατροπέα, το λεγόμενο "συσκευή αποθήκευσης δειγμάτων" (SSD) (Μονάδα διαδρομής/αναμονής ). Ένα απλοποιημένο διάγραμμα της UVH φαίνεται στο Σχ. 3.11.

Αυτή η συσκευή έχει δύο τρόπους λειτουργίας: λειτουργία δειγματοληψίας και λειτουργία μανδάλωσης. Η λειτουργία δειγματοληψίας αντιστοιχεί στην κλειστή κατάσταση του κλειδιού S.W. . Σε αυτή τη λειτουργία, η τάση εξόδου του UVH επαναλαμβάνει την τάση εισόδου του. Η λειτουργία μανδάλωσης ενεργοποιείται με μια εντολή από το κλειδί ανοίγματος S.W. . Σε αυτήν την περίπτωση, η σύνδεση μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του UVH διακόπτεται και το σήμα εξόδου διατηρείται σε σταθερό επίπεδο που αντιστοιχεί στο επίπεδο του σήματος εισόδου τη στιγμή που λαμβάνεται η εντολή στερέωσης λόγω του φορτίου που συσσωρεύεται στο πυκνωτής. Έτσι, εάν δοθεί μια εντολή αναμονής αμέσως πριν από την έναρξη της μετατροπής ADC, το σήμα εξόδου του UVH θα διατηρείται σε σταθερό επίπεδο καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου μετατροπής. Αφού ολοκληρωθεί η μετατροπή, η υπεριώδης ακτινοβολία μεταβαίνει ξανά σε λειτουργία δειγματοληψίας. Η λειτουργία μιας πραγματικής UVH είναι κάπως διαφορετική από την ιδανική περίπτωση που περιγράφηκε (Εικ. 3.12).

(3.21),

όπου στ – συχνότητα του σήματος εισόδου,τ Α – τιμή αβεβαιότητας διαφράγματος.

Στα πραγματικά UVH, το σήμα εξόδου δεν μπορεί να παραμείνει απολύτως αμετάβλητο κατά τη διάρκεια ενός πεπερασμένου χρόνου μετατροπής. Ο πυκνωτής θα εκφορτιστεί σταδιακά από το μικρό ρεύμα εισόδου του buffer εξόδου. Για να διατηρηθεί η απαιτούμενη ακρίβεια, είναι απαραίτητο κατά τη μετατροπή η φόρτιση του πυκνωτή να μην μεταβάλλεται περισσότερο από 0,5 U LSB.

Μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό εγκαθίστανται συνήθως στην έξοδο ενός συστήματος μικροεπεξεργαστή για τη μετατροπή των κωδικών εξόδου του σε αναλογικό σήμα που παρέχεται σε ένα αντικείμενο συνεχούς ελέγχου. Το ιδανικό στατικό χαρακτηριστικό ενός DAC 3 bit φαίνεται στο Σχ. 3.13.

Χαρακτηριστική αφετηρία ορίζεται ως το σημείο που αντιστοιχεί στον πρώτο (μηδενικό) κωδικό εισόδου U 00…0 . Χαρακτηριστικό σημείου τέλουςορίζεται ως το σημείο που αντιστοιχεί στον τελευταίο κωδικό εισόδου U 11…1 . Οι ορισμοί του εύρους τάσης εξόδου, του λιγότερο σημαντικού bit της μονάδας κβαντισμού, του μηδενικού σφάλματος μετατόπισης και του σφάλματος του συντελεστή μετατροπής είναι παρόμοιοι με τα αντίστοιχα χαρακτηριστικά του ADC.

Από την άποψη της δομικής οργάνωσης, τα DAC έχουν πολύ μικρότερη ποικιλία επιλογών για την κατασκευή ενός μετατροπέα. Η κύρια δομή του DAC είναι το λεγόμενο. "αλυσίδα R -2 R διάγραμμα» (Εικ. 3.14).

Είναι εύκολο να δείξουμε ότι το ρεύμα εισόδου του κυκλώματος είναι I in = U REF / R , και τα ρεύματα των διαδοχικών κρίκων της αλυσίδας είναι αντίστοιχαεγώ σε /2, εγώ σε /4, εγώ μέσα /8 κ.λπ. Για να μετατρέψετε τον ψηφιακό κωδικό εισόδου σε ρεύμα εξόδου, αρκεί να συλλέξετε όλα τα ρεύματα των βραχιόνων που αντιστοιχούν σε αυτά του κωδικού εισόδου στο σημείο εξόδου του μετατροπέα (Εικ. 3.15).

Εάν ένας λειτουργικός ενισχυτής είναι συνδεδεμένος στο σημείο εξόδου του μετατροπέα, τότε η τάση εξόδου μπορεί να προσδιοριστεί ως

(3.22),

όπου ο Κ – εισαγωγή ψηφιακού κωδικού,Ν – Βάθος bit DAC.

Όλα τα υπάρχοντα DAC χωρίζονται σε δύο μεγάλες ομάδες: DAC με έξοδο ρεύματος και DAC με έξοδο τάσης. Η διαφορά μεταξύ τους έγκειται στην απουσία ή την παρουσία ενός τελικού σταδίου σε έναν λειτουργικό ενισχυτή στο τσιπ DAC. Τα DAC εξόδου τάσης είναι πιο ολοκληρωμένες συσκευές και απαιτούν λιγότερα πρόσθετα στοιχείαγια τη δουλειά σου. Ωστόσο, το τελικό στάδιο, μαζί με τις παραμέτρους του δασικού κυκλώματος, καθορίζει τις παραμέτρους δυναμικής και ακρίβειας του DAC. Συχνά είναι δύσκολο να εφαρμοστεί ένας ακριβής λειτουργικός ενισχυτής υψηλής ταχύτητας στο ίδιο τσιπ με ένα DAC. Επομένως, τα περισσότερα DAC υψηλής ταχύτητας έχουν έξοδο ρεύματος.

Διαφορική μη γραμμικότηταγια ένα DAC ορίζεται ως η απόκλιση της απόστασης μεταξύ δύο γειτονικών επιπέδων του αναλογικού σήματος εξόδου από την ιδανική τιμή U LSB . Μια μεγάλη τιμή διαφορικής μη γραμμικότητας μπορεί να προκαλέσει το DAC να γίνει μη μονοτονικό. Αυτό σημαίνει ότι μια αύξηση στον ψηφιακό κωδικό θα οδηγήσει σε μείωση του σήματος εξόδου σε κάποιο τμήμα του χαρακτηριστικού (Εικ. 3.16). Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη παραγωγή στο σύστημα.

Ολοκληρωμένη μη γραμμικότητα για ένα DAC, που ορίζεται ως η μεγαλύτερη απόκλιση της στάθμης του αναλογικού σήματος εξόδου από μια ευθεία γραμμή που χαράσσεται μέσω των σημείων που αντιστοιχούν στον πρώτο και τον τελευταίο κωδικό μετά την προσαρμογή τους.

Χρόνος τακτοποίησηςΤο DAC ορίζεται ως ο χρόνος κατά τον οποίο το σήμα εξόδου DAC θα δημιουργηθεί σε ένα δεδομένο επίπεδο με σφάλμα όχι μεγαλύτερο από 0,5 U LSB αφού ο κωδικός εισόδου έχει αλλάξει από την τιμή 00...0 στην τιμή 11...1. Εάν το DAC έχει καταχωρητές εισόδου, τότε ένα ορισμένο μέρος του χρόνου καθίζησης οφείλεται στη σταθερή καθυστέρηση στη διέλευση των ψηφιακών σημάτων και μόνο το υπόλοιπο μέρος οφείλεται στην αδράνεια του ίδιου του κυκλώματος DAC. Επομένως, ο χρόνος καθίζησης συνήθως μετριέται όχι από τη στιγμή που φθάνει ένας νέος κωδικός στην είσοδο DAC, αλλά από τη στιγμή που το σήμα εξόδου αρχίζει να αλλάζει, που αντιστοιχεί στον νέο κωδικό, έως ότου καθοριστεί με ακρίβεια το σήμα εξόδου 0,5U LSB (Εικ. 3.17).

Σε αυτήν την περίπτωση, ο χρόνος καθίζησης καθορίζει τη μέγιστη συχνότητα δειγματοληψίας του DAC

(3.23),

όπου t S – χρόνος εγκατάστασης.

Τα ψηφιακά κυκλώματα εισόδου του DAC έχουν πεπερασμένη ταχύτητα. Επιπλέον, η ταχύτητα διάδοσης των σημάτων που αντιστοιχούν σε διαφορετικά bits του κωδικού εισόδου δεν είναι η ίδια λόγω της διακύμανσης των παραμέτρων των στοιχείων και των χαρακτηριστικών του κυκλώματος. Ως αποτέλεσμα αυτού, οι βραχίονες του κυκλώματος σκάλας DAC δεν αλλάζουν συγχρόνως όταν φθάνει ένας νέος κωδικός, αλλά με κάποια καθυστέρηση μεταξύ τους. Αυτό οδηγεί στο γεγονός ότι στο διάγραμμα της τάσης εξόδου του DAC, κατά τη μετάβαση από μια τιμή σταθερής κατάστασης στην άλλη, παρατηρούνται υπερτάσεις διαφόρων πλάτους και κατευθύνσεων (Εικ. 3.18).

Σύμφωνα με τον αλγόριθμο λειτουργίας, το DAC είναι ένας παρεκβολέας μηδενικής τάξης, η απόκριση συχνότητας του οποίου μπορεί να αναπαρασταθεί από την έκφραση

(3.24),

Οπου wμικρό - συχνότητα δειγματοληψίας. Η απόκριση πλάτους-συχνότητας του DAC φαίνεται στο Σχ. 3.20.

Όπως φαίνεται, σε συχνότητα 0,5wμικρό το ανακατασκευασμένο σήμα εξασθενεί κατά 3,92 dB σε σύγκριση με τα στοιχεία χαμηλής συχνότητας του σήματος. Έτσι, υπάρχει μια μικρή παραμόρφωση του φάσματος του ανακατασκευασμένου σήματος. Στις περισσότερες περιπτώσεις, αυτή η μικρή παραμόρφωση δεν επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του συστήματος. Ωστόσο, σε περιπτώσεις όπου απαιτείται αυξημένη γραμμικότητα των φασματικών χαρακτηριστικών του συστήματος (για παράδειγμα, σε συστήματα επεξεργασίας ήχου), για την ισοπέδωση του προκύπτοντος φάσματος στην έξοδο DAC, είναι απαραίτητο να εγκαταστήσετε ένα ειδικό φίλτρο αποκατάστασης με απόκριση συχνότητας ίση με ο τύπος x/sin(x).

Ένας μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) είναι μια συσκευή για τη μετατροπή ενός ψηφιακού κωδικού σε αναλογικό σήμα σε μέγεθος ανάλογο με την τιμή του κωδικού.

Τα DAC χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση ψηφιακών συστημάτων ελέγχου με συσκευές που ελέγχονται από το επίπεδο ενός αναλογικού σήματος. Επίσης, το DAC είναι αναπόσπαστο μέρος σε πολλές δομές αναλογικών σε ψηφιακών συσκευών και μετατροπέων.

Το DAC χαρακτηρίζεται από μια συνάρτηση μετατροπής. Σχετίζει μια αλλαγή στον ψηφιακό κώδικα με μια αλλαγή στην τάση ή το ρεύμα. Η συνάρτηση μετατροπής DAC εκφράζεται ως εξής

Έξω- τιμή τάσης εξόδου που αντιστοιχεί στον ψηφιακό κωδικό Nin, παρέχεται στις εισόδους του DAC.

U μέγ- μέγιστη τάση εξόδου που αντιστοιχεί στον μέγιστο κωδικό που εφαρμόζεται στις εισόδους N μέγ

Μέγεθος K DAC, που καθορίζεται από την αναλογία, ονομάζεται συντελεστής μετατροπής ψηφιακού σε αναλογικό. Παρά τη σταδιακή φύση του χαρακτηριστικού που σχετίζεται με μια διακριτή αλλαγή στην τιμή εισόδου (ψηφιακός κωδικός), πιστεύεται ότι τα DAC είναι γραμμικοί μετατροπείς.

Εάν η τιμή Ninπου αντιπροσωπεύεται μέσω των τιμών των βαρών των ψηφίων της, η συνάρτηση μετασχηματισμού μπορεί να εκφραστεί ως εξής

, Οπου

Εγώ- ψηφιακός αριθμός του κωδικού εισαγωγής Nin; A i- νόημα Εγώτο ψηφίο (μηδέν ή ένα). Ui – βάρος Εγώ-η κατηγορία? n – αριθμός bit του κωδικού εισόδου (αριθμός bit του DAC).

Το βάρος του bit προσδιορίζεται για μια συγκεκριμένη χωρητικότητα bit και υπολογίζεται χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο

U OP - Τάση αναφοράς DAC

Η αρχή λειτουργίας των περισσότερων DAC είναι η άθροιση των μεριδίων αναλογικών σημάτων (βάρος εκφόρτισης), ανάλογα με τον κωδικό εισόδου.

Το DAC μπορεί να υλοποιηθεί χρησιμοποιώντας άθροιση ρεύματος, άθροιση τάσης και διαίρεση τάσης. Στην πρώτη και στη δεύτερη περίπτωση, σύμφωνα με τις τιμές των bit του κωδικού εισόδου, συνοψίζονται τα σήματα των γεννητριών ρεύματος και των πηγών E.M.F. Η τελευταία μέθοδος είναι ένας διαιρέτης τάσης ελεγχόμενος με κωδικό. Δύο πιο πρόσφατες μεθόδουςδεν έχουν βρει ευρεία χρήση λόγω πρακτικών δυσκολιών στην εφαρμογή τους.

Μέθοδοι υλοποίησης DAC με σταθμισμένη άθροιση ρευμάτων

Ας εξετάσουμε την κατασκευή ενός απλού DAC με σταθμισμένο άθροισμα ρευμάτων.

Αυτό το DAC αποτελείται από ένα σύνολο αντιστάσεων και ένα σύνολο διακοπτών. Ο αριθμός των κλειδιών και ο αριθμός των αντιστάσεων είναι ίσος με τον αριθμό των bit nκωδικός εισαγωγής. Οι τιμές των αντιστάσεων επιλέγονται σύμφωνα με τον δυαδικό νόμο. Αν R=3 Ohms, τότε 2R=6 Ohms, 4R=12 Ohms, και ούτω καθεξής, δηλ. Κάθε επόμενη αντίσταση είναι 2 φορές μεγαλύτερη από την προηγούμενη. Όταν συνδέεται μια πηγή τάσης και οι διακόπτες είναι κλειστοί, το ρεύμα θα ρέει μέσω κάθε αντίστασης. Οι τρέχουσες τιμές των αντιστάσεων, χάρη στην κατάλληλη επιλογή των τιμών τους, θα κατανεμηθούν επίσης σύμφωνα με τον δυαδικό νόμο. Κατά την υποβολή κωδικού εισόδου NinΤα πλήκτρα ενεργοποιούνται σύμφωνα με την τιμή των αντίστοιχων bit του κωδικού εισόδου. Το κλειδί κλείνει εάν το αντίστοιχο bit είναι ίσο με ένα. Σε αυτήν την περίπτωση, τα ρεύματα αθροίζονται στον κόμβο, ανάλογα με τα βάρη αυτών των δυαδικών ψηφίων, και το μέγεθος του ρεύματος που ρέει από τον κόμβο ως σύνολο θα είναι ανάλογο με την τιμή του κωδικού εισόδου Nin.

Η αντίσταση των αντιστάσεων μήτρας επιλέγεται να είναι αρκετά μεγάλη (δεκάδες kOhms). Επομένως, για τις περισσότερες πρακτικές περιπτώσεις, το DAC παίζει το ρόλο της πηγής ρεύματος για το φορτίο. Εάν είναι απαραίτητο να ληφθεί τάση στην έξοδο του μετατροπέα, τότε ένας μετατροπέας ρεύματος-τάσης εγκαθίσταται στην έξοδο ενός τέτοιου DAC, για παράδειγμα, σε έναν λειτουργικό ενισχυτή

Ωστόσο, όταν ο κωδικός αλλάζει στις εισόδους DAC, αλλάζει η ποσότητα του ρεύματος που λαμβάνεται από την πηγή τάσης αναφοράς. Αυτό είναι το κύριο μειονέκτημα αυτής της μεθόδου κατασκευής ενός DAC. . Αυτή η μέθοδος κατασκευής μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο εάν η πηγή τάσης αναφοράς έχει χαμηλή εσωτερική αντίσταση. Σε μια άλλη περίπτωση, τη στιγμή που αλλάζει ο κωδικός εισόδου, αλλάζει το ρεύμα που λαμβάνεται από την πηγή, γεγονός που οδηγεί σε αλλαγή της πτώσης τάσης στην εσωτερική αντίστασή της και, με τη σειρά της, σε μια πρόσθετη αλλαγή στο ρεύμα εξόδου που δεν σχετίζεται άμεσα στην αλλαγή κωδικού. Η δομή του DAC με διακόπτες μεταγωγής μας επιτρέπει να εξαλείψουμε αυτό το μειονέκτημα.

Σε μια τέτοια δομή υπάρχουν δύο κόμβοι εξόδου. Ανάλογα με την τιμή των bit του κωδικού εισόδου, τα αντίστοιχα πλήκτρα συνδέονται στον κόμβο που είναι συνδεδεμένος στην έξοδο της συσκευής ή σε έναν άλλο κόμβο, ο οποίος είναι πιο συχνά γειωμένος. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα ρέει συνεχώς μέσω κάθε αντίστασης της μήτρας, ανεξάρτητα από τη θέση του διακόπτη, και η ποσότητα ρεύματος που καταναλώνεται από την πηγή τάσης αναφοράς είναι σταθερή.

Ένα κοινό μειονέκτημα και των δύο δομών που εξετάζονται είναι η μεγάλη αναλογία μεταξύ των μικρότερων και μεγαλύτερων τιμών των αντιστάσεων μήτρας. Ταυτόχρονα, παρά τη μεγάλη διαφορά στις τιμές των αντιστάσεων, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί η ίδια απόλυτη ακρίβεια προσαρμογής τόσο για τη μεγαλύτερη όσο και για τη μικρότερη ονομαστική τιμή αντίστασης. Σε μια ολοκληρωμένη σχεδίαση DAC με περισσότερα από 10 bit, αυτό είναι αρκετά δύσκολο να επιτευχθεί.

Οι κατασκευές που βασίζονται σε ωμικά υλικά είναι απαλλαγμένες από όλα τα παραπάνω μειονεκτήματα. R-2Rμήτρες

Με αυτή την κατασκευή της μήτρας αντίστασης, το ρεύμα σε κάθε επόμενο παράλληλο κλάδο είναι δύο φορές μικρότερο από τον προηγούμενο. Η παρουσία μόνο δύο τιμών αντίστασης στη μήτρα καθιστά πολύ εύκολη την προσαρμογή των τιμών τους.

Το ρεύμα εξόδου για κάθε μια από τις παρουσιαζόμενες δομές είναι ταυτόχρονα ανάλογο όχι μόνο με την τιμή του κωδικού εισόδου, αλλά και με την τιμή της τάσης αναφοράς. Λέγεται συχνά ότι είναι ανάλογο με το γινόμενο αυτών των δύο ποσοτήτων. Επομένως, τέτοιοι DAC ονομάζονται πολλαπλασιαστές. Όλοι θα έχουν αυτές τις ιδιότητες. DAC,στις οποίες ο σχηματισμός σταθμισμένων τιμών ρεύματος που αντιστοιχούν στα βάρη εκφόρτισης πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ωμικούς πίνακες.

Εκτός από τη χρήση για τον προορισμό τους, τα πολλαπλασιαστικά DAC χρησιμοποιούνται ως αναλογικοί σε ψηφιακοί πολλαπλασιαστές, ως αντιστάσεις και αγωγιμότητες ελεγχόμενες από κώδικα. Χρησιμοποιούνται ευρέως ως συστατικά στοιχείακατά την κατασκευή ενισχυτών, φίλτρων, πηγών τάσης αναφοράς, κλιματιστικών σημάτων κ.λπ.

Βασικές παράμετροι και σφάλματα του DAC

Οι κύριες παράμετροι που μπορείτε να δείτε στον κατάλογο:

1. Αριθμός bit – αριθμός bit του κωδικού εισόδου.

2. Συντελεστής μετατροπής - ο λόγος της αύξησης του σήματος εξόδου προς την αύξηση του σήματος εισόδου για γραμμική συνάρτησημεταμορφώσεις.

3. Χρόνος ρύθμισης της τάσης ή του ρεύματος εξόδου - το χρονικό διάστημα από τη στιγμή της αλλαγής ενός δεδομένου κωδικού στην είσοδο του DAC μέχρι τη στιγμή κατά την οποία η τάση ή το ρεύμα εξόδου εισέρχεται τελικά στη ζώνη με το πλάτος του λιγότερο σημαντικού ψηφίου ( MZR).

4. Μέγιστη συχνότητα μετατροπής – η υψηλότερη συχνότητα αλλαγών κώδικα κατά την οποία οι καθορισμένες παράμετροι συμμορφώνονται με τα καθιερωμένα πρότυπα.

Υπάρχουν και άλλες παράμετροι που χαρακτηρίζουν την απόδοση του DAC και τα χαρακτηριστικά της λειτουργίας του. Αυτά περιλαμβάνουν: χαμηλή και υψηλή τάση εισόδου, κατανάλωση ρεύματος, τάση εξόδου ή εύρος ρεύματος.

Οι πιο σημαντικές παράμετροι για ένα DAC είναι αυτές που καθορίζουν τα χαρακτηριστικά ακρίβειάς του.

Χαρακτηριστικά ακρίβειας κάθε DAC , Πρώτα απ 'όλα, προσδιορίζονται από σφάλματα κανονικοποιημένα σε μέγεθος.

Τα σφάλματα χωρίζονται σε δυναμικά και στατικά. Στατικά σφάλματα είναι τα σφάλματα που παραμένουν μετά την ολοκλήρωση όλων των μεταβατικών διεργασιών που σχετίζονται με την αλλαγή του κωδικού εισόδου. Τα δυναμικά σφάλματα προσδιορίζονται από μεταβατικές διεργασίες στην έξοδο DAC που προκύπτουν ως αποτέλεσμα μιας αλλαγής στον κωδικό εισόδου.

Κύριοι τύποι στατικών σφαλμάτων DAC:

Απόλυτο λάθος μετατροπής σε τελικό σημείοκλίμακα – απόκλιση της τιμής της τάσης εξόδου (ρεύματος) από την ονομαστική τιμή που αντιστοιχεί στο τελικό σημείο της κλίμακας συνάρτησης μετατροπής. Μετράται σε μονάδες του λιγότερο σημαντικού ψηφίου της μετατροπής.

Έξοδος μηδενική τάση μετατόπισης – Τάση συνεχούς ρεύματος στην έξοδο του DAC με κωδικό εισόδου που αντιστοιχεί σε τιμή μηδενικής τάσης εξόδου. Μετράται σε μονάδες χαμηλής τάξης. Σφάλμα συντελεστή μετατροπής (κλίμακα) – σχετίζεται με την απόκλιση της κλίσης της συνάρτησης μετατροπής από την απαιτούμενη.

Η μη γραμμικότητα DAC είναι η απόκλιση της πραγματικής συνάρτησης μετατροπής από την καθορισμένη ευθεία γραμμή. Είναι το χειρότερο λάθος που είναι δύσκολο να καταπολεμηθεί.

Τα σφάλματα μη γραμμικότητας χωρίζονται γενικά σε δύο τύπους - ολοκληρωτικά και διαφορικά.

Σφάλμα ολοκληρωτικής μη γραμμικότητας είναι η μέγιστη απόκλιση του πραγματικού χαρακτηριστικού από το ιδανικό. Στην πραγματικότητα, αυτό λαμβάνει υπόψη τη μέση συνάρτηση μετασχηματισμού. Αυτό το σφάλμα προσδιορίζεται ως ποσοστό του τελικού εύρους της τιμής εξόδου.

Η διαφορική μη γραμμικότητα συνδέεται με την ανακρίβεια ρύθμισης των βαρών των εκκενώσεων, δηλ. με σφάλματα στα διαχωριστικά στοιχεία, διασπορά υπολειπόμενων παραμέτρων βασικά στοιχεία, γεννήτριες ρεύματος κ.λπ.

Μέθοδοι αναγνώρισης και διόρθωσης σφαλμάτων DAC

Είναι επιθυμητό να πραγματοποιείται διόρθωση σφαλμάτων κατά την κατασκευή των μετατροπέων (τεχνολογική προσαρμογή). Ωστόσο, είναι συχνά επιθυμητό όταν χρησιμοποιείται ένα συγκεκριμένο δείγμα BISσε μια ή την άλλη συσκευή. Σε αυτή την περίπτωση, η διόρθωση πραγματοποιείται με εισαγωγή στη δομή της συσκευής, επιπλέον LSI DACπρόσθετα στοιχεία. Τέτοιες μέθοδοι ονομάζονται δομικές.

Το περισσότερο πολύπλοκη διαδικασίαείναι η διασφάλιση της γραμμικότητας, αφού καθορίζονται από τις σχετικές παραμέτρους πολλών στοιχείων και κόμβων. Τις περισσότερες φορές, προσαρμόζονται μόνο η μηδενική μετατόπιση και ο συντελεστής

Οι παράμετροι ακρίβειας που παρέχονται από τις τεχνολογικές μεθόδους επιδεινώνονται όταν ο μετατροπέας εκτίθεται σε διάφορους αποσταθεροποιητικούς παράγοντες, κυρίως τη θερμοκρασία. Είναι επίσης απαραίτητο να θυμόμαστε τον παράγοντα γήρανσης των στοιχείων.

Το μηδενικό σφάλμα μετατόπισης και το σφάλμα κλίμακας διορθώνονται εύκολα στην έξοδο DAC. Για να γίνει αυτό, μια σταθερή μετατόπιση εισάγεται στο σήμα εξόδου, αντισταθμίζοντας τη μετατόπιση του χαρακτηριστικού του μετατροπέα. Η απαιτούμενη κλίμακα μετατροπής καθορίζεται είτε ρυθμίζοντας το ρυθμισμένο κέρδος στην έξοδο του μετατροπέα ενισχυτή είτε ρυθμίζοντας την τιμή της τάσης αναφοράς εάν το DAC είναι πολλαπλασιαστικό.

Οι μέθοδοι διόρθωσης με έλεγχο ελέγχου συνίστανται στον εντοπισμό σφαλμάτων DAC σε ολόκληρο το σύνολο των επιτρεπόμενων επιρροών εισόδου και στην προσθήκη διορθώσεων που υπολογίζονται βάσει αυτού στην τιμή εισόδου ή εξόδου για την αντιστάθμιση αυτών των σφαλμάτων.

Για οποιαδήποτε μέθοδο διόρθωσης με έλεγχο χρησιμοποιώντας δοκιμαστικό σήμα, παρέχονται οι ακόλουθες ενέργειες:

1. Η μέτρηση των χαρακτηριστικών του DAC σε ένα σύνολο δοκιμών επαρκεί για τον εντοπισμό σφαλμάτων.

2. Εντοπισμός σφαλμάτων με υπολογισμό των αποκλίσεων τους από τα αποτελέσματα των μετρήσεων.

3. Υπολογισμός διορθωτικών τροποποιήσεων για τις μετατρεπόμενες τιμές ή τα απαιτούμενα διορθωτικά αποτελέσματα στα διορθωμένα μπλοκ.

4. Πραγματοποίηση διόρθωσης.

Ο έλεγχος μπορεί να πραγματοποιηθεί μία φορά πριν από την εγκατάσταση του μετατροπέα στη συσκευή χρησιμοποιώντας ειδικό εργαστηριακό εξοπλισμό μέτρησης. Μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί χρησιμοποιώντας εξειδικευμένο εξοπλισμό ενσωματωμένο στη συσκευή. Σε αυτή την περίπτωση, η παρακολούθηση, κατά κανόνα, πραγματοποιείται περιοδικά, όλη την ώρα, ενώ ο μετατροπέας δεν εμπλέκεται άμεσα στη λειτουργία της συσκευής. Αυτή η οργάνωση ελέγχου και διόρθωσης των μετατροπέων μπορεί να πραγματοποιηθεί όταν λειτουργεί ως μέρος ενός συστήματος μέτρησης μικροεπεξεργαστή.

Το κύριο μειονέκτημα οποιασδήποτε μεθόδου έλεγχος από άκρο σε άκρο – μεγάλη ώραέλεγχος μαζί με την ετερογένεια και τον μεγάλο όγκο του χρησιμοποιούμενου εξοπλισμού.

Οι τιμές διόρθωσης που προσδιορίζονται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο αποθηκεύονται, κατά κανόνα, σε ψηφιακή μορφή. Η διόρθωση των σφαλμάτων, λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις διορθώσεις, μπορεί να πραγματοποιηθεί τόσο σε αναλογική όσο και σε ψηφιακή μορφή.

Με την ψηφιακή διόρθωση, προστίθενται διορθώσεις λαμβάνοντας υπόψη το πρόσημά τους στον κωδικό εισόδου DAC. Ως αποτέλεσμα, λαμβάνεται ένας κωδικός στην είσοδο DAC, ο οποίος δημιουργεί την απαιτούμενη τιμή τάσης ή ρεύματος στην έξοδό του. Η απλούστερη εφαρμογή αυτής της μεθόδου διόρθωσης αποτελείται από ένα ρυθμιζόμενο DAC,στην είσοδο της οποίας είναι εγκατεστημένη μια ψηφιακή συσκευή αποθήκευσης ( μνήμη). Ο κωδικός εισόδου παίζει το ρόλο ενός κωδικού διεύθυνσης. ΣΕ μνήμηΟι αντίστοιχες διευθύνσεις περιέχουν προ-υπολογισμένες, λαμβάνοντας υπόψη διορθώσεις, τιμές κωδικών που παρέχονται στο διορθωμένο DAC.

Για αναλογική διόρθωση, εκτός από το κύριο DAC, χρησιμοποιείται και άλλο ένα επιπλέον DAC. Το εύρος του σήματος εξόδου του αντιστοιχεί στη μέγιστη τιμή σφάλματος του διορθωμένου DAC. Ο κωδικός εισόδου παρέχεται ταυτόχρονα στις εισόδους του διορθωμένου DAC και στις εισόδους διεύθυνσης μνήμητροπολογίες Από μνήμηδιορθώσεις, επιλέγεται η διόρθωση που αντιστοιχεί στη δεδομένη τιμή του κωδικού εισαγωγής. Ο κωδικός διόρθωσης μετατρέπεται σε σήμα ανάλογο με αυτόν, το οποίο αθροίζεται με το σήμα εξόδου του διορθωμένου DAC. Λόγω της μικρής έκτασης του απαιτούμενου εύρους του σήματος εξόδου του πρόσθετου DAC σε σύγκριση με το εύρος του σήματος εξόδου του διορθωμένου DAC, τα σφάλματα του πρώτου παραμελούνται.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, καθίσταται απαραίτητο να διορθωθεί η δυναμική του DAC.

Η μεταβατική απόκριση του DAC θα είναι διαφορετική κατά την αλλαγή διαφορετικών συνδυασμών κωδικών, με άλλα λόγια, ο χρόνος καθίζησης του σήματος εξόδου θα είναι διαφορετικός. Επομένως, όταν χρησιμοποιείτε ένα DAC, είναι απαραίτητο να λάβετε υπόψη μέγιστος χρόνοςεγκαταστάσεις. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις είναι δυνατό να διορθωθεί η συμπεριφορά του χαρακτηριστικού μεταφοράς.

Χαρακτηριστικά χρήσης LSI DAC

Για την επιτυχή χρήση του σύγχρονου BISΔεν αρκεί για τους DAC να γνωρίζουν τη λίστα με τα κύρια χαρακτηριστικά τους και τα βασικά κυκλώματα για τη συμπερίληψή τους.

Σημαντική επίδραση στα αποτελέσματα της εφαρμογής BISΤο DAC πληροί τις λειτουργικές απαιτήσεις που καθορίζονται από τα χαρακτηριστικά ενός συγκεκριμένου τσιπ. Τέτοιες απαιτήσεις περιλαμβάνουν όχι μόνο τη χρήση επιτρεπόμενων σημάτων εισόδου, την τάση των τροφοδοτικών, την χωρητικότητα και την αντίσταση φορτίου, αλλά και τη σειρά ενεργοποίησης διαφορετικών πηγών ισχύος, διαχωρισμό κυκλωμάτων που συνδέουν διαφορετικές πηγές ισχύος και τον κοινό δίαυλο, τη χρήση φίλτρων, και τα λοιπά.

Για DAC ακριβείας ιδιαίτερο νόημααποκτά τάση εξόδου θορύβου. Ένα χαρακτηριστικό του προβλήματος θορύβου σε ένα DAC είναι η παρουσία υπερτάσεων στην έξοδό του που προκαλούνται από διακόπτες μεταγωγής στο εσωτερικό του μετατροπέα. Το πλάτος αυτών των εκρήξεων μπορεί να φτάσει αρκετές δεκάδες βάρη. MZRκαι δημιουργούν δυσκολίες στη λειτουργία των συσκευών επεξεργασίας αναλογικού σήματος μετά το DAC. Η λύση στο πρόβλημα της καταστολής τέτοιων εκρήξεων είναι η χρήση συσκευών δειγματοληψίας και συγκράτησης στην έξοδο του DAC ( UVH). UVHελέγχεται από το ψηφιακό τμήμα του συστήματος, το οποίο δημιουργεί νέους συνδυασμούς κωδικών στην είσοδο DAC. Πριν από την υποβολή νέου συνδυασμού κωδικών UVHμεταβαίνει στη λειτουργία αποθήκευσης, ανοίγοντας το κύκλωμα μετάδοσης αναλογικού σήματος στην έξοδο. Χάρη σε αυτό, η ακίδα στην τάση εξόδου DAC δεν φτάνει στην έξοδο UVH, το οποίο στη συνέχεια τίθεται σε λειτουργία παρακολούθησης, επαναλαμβάνοντας την έξοδο DAC.

Ιδιαίτερη προσοχή κατά την κατασκευή ενός DAC με βάση BISΕίναι απαραίτητο να δοθεί προσοχή στην επιλογή του λειτουργικού ενισχυτή που χρησιμεύει για τη μετατροπή του ρεύματος εξόδου DAC σε τάση. Όταν ο κωδικός εισόδου DAC εφαρμόζεται στην έξοδο OUθα υπάρξει σφάλμα ρεU, που προκαλείται από την τάση πόλωσης του και ισούται με

,

Οπου U cm– τάση πόλωσης OU; R os– τιμή αντίστασης στο κύκλωμα ανάδρασης OU; R m– αντίσταση της μήτρας αντίστασης του DAC (αντίσταση εξόδου του DAC), ανάλογα με την τιμή του κωδικού που εφαρμόζεται στην είσοδό του.

Καθώς η αναλογία ποικίλλει από 1 έως 0, το σφάλμα οφείλεται U cm, αλλαγές στους διαδρόμους (1...2) U cm. Επιρροή U cmπαραμελείται κατά τη χρήση OU,ποιό απ'όλα .

Λόγω της μεγάλης περιοχής των διακοπτών τρανζίστορ CMOS BISσημαντική χωρητικότητα εξόδου του LSI DAC (40...120 pF ανάλογα με την τιμή του κωδικού εισόδου). Αυτή η χωρητικότητα έχει σημαντικό αντίκτυπο στον χρόνο καθίζησης της τάσης εξόδου. OUμε την απαιτούμενη ακρίβεια. Για να μειωθεί αυτή η επιρροή R osπαρακάμπτεται με πυκνωτή Με ΛΣ.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να ληφθεί μια διπολική τάση εξόδου στην έξοδο DAC. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την εισαγωγή μιας πόλωσης εύρους τάσης εξόδου στην έξοδο και για τον πολλαπλασιασμό των DAC αλλάζοντας την πολικότητα της πηγής τάσης αναφοράς.

Λάβετε υπόψη ότι εάν χρησιμοποιείτε ενσωματωμένο DAC , έχοντας μεγαλύτερο αριθμό δυαδικών ψηφίων από ό,τι χρειάζεστε, τότε οι είσοδοι των αχρησιμοποίητων δυαδικών ψηφίων συνδέονται με το δίαυλο γείωσης, καθορίζοντας ξεκάθαρα το επίπεδο του λογικού μηδενός σε αυτά. Επιπλέον, για να λειτουργήσει με το μεγαλύτερο δυνατό εύρος του σήματος εξόδου του LSI DAC, τα ψηφία λαμβάνονται ως τέτοια ψηφία, ξεκινώντας από το λιγότερο σημαντικό.

Ένα από τα πρακτικά παραδείγματα χρήσης DAC είναι τα κλιματιστικά σήματος διαφορετικά σχήματα. Έφτιαξα ένα μικρό μοντέλο στον Πρωτέα. Χρησιμοποιώντας ένα DAC που ελέγχεται από το MK (Atmega8, αν και μπορεί να γίνει και στο Tiny), παράγονται σήματα διαφόρων σχημάτων. Το πρόγραμμα είναι γραμμένο σε C σε CVAVR. Πατώντας το κουμπί αλλάζει το παραγόμενο σήμα.

LSI DAC DAC0808 National Semiconductor, 8-bit, υψηλής ταχύτητας, ενεργοποιημένος σύμφωνα με πρότυπο σχήμα. Δεδομένου ότι η έξοδός του είναι ρεύμα, μετατρέπεται σε τάση χρησιμοποιώντας έναν αναστροφικό ενισχυτή χρησιμοποιώντας έναν ενισχυτή op-amp.

Καταρχήν, μπορείς να έχεις και τόσο ενδιαφέρουσες φιγούρες, κάτι μου θυμίζει, σωστά; Εάν επιλέξετε μεγαλύτερο βάθος bit, θα γίνετε πιο ομαλή

Βιβλιογραφία:
1. Bakhtiyarov G.D., Malinin V.V., Shkolin V.P. Μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό/Εκδ. G.D. Bakhtiyarov - M.: Sov. ραδιόφωνο. – 1980. – 278 σελ.: ill.
2. Σχεδιασμός αναλογικών-ψηφιακών συστημάτων ελέγχου και μικροεπεξεργαστών.
3. O.V. Shishov. - Saransk: Εκδοτικός Οίκος Mordov. Πανεπιστήμιο 1995. - Σελ.

Παρακάτω μπορείτε να κατεβάσετε το έργο στο