Cum are loc conversia într-un convertor digital-analogic. Metode de identificare și corectare a erorilor DAC. Relația dintre mărimile digitale și analogice

Uneori pare că lumea digitală se îmbină aproape complet cu cea reală. Dar, în ciuda apariției unor astfel de sisteme precum „gigaFLOPS”, „22 nm” și multe altele, lumea reală rămâne cu încăpățânare analogică și nu digitală și încă trebuie să lucrăm cu sistemele noastre digitale, care sunt prezente aproape peste tot în lumea modernă. .

Un convertor DAC digital-analogic convertește un semnal de intrare digital într-un semnal de ieșire analogic. Definiția „preciziei” poate varia (în funcție de producător), dar vom descrie convertoare digital-analogic cu rezoluții de la 8 la 16 biți și viteze de până la 10 MSa/s. Aceste convertoare DAC digital-analogic sunt utilizate în diverse sisteme– echipamente audio și video, control procesor, instrumente de măsură, sisteme de automatizare, sisteme de acționare electrică și multe altele. Fiecare sistem separat Există cerințe individuale pentru DAC, de exemplu, rezoluție, caracteristici statice și dinamice, consumul de energie și altele.

În parametri și descriere tehnica specifică eroarea de compensare, neliniaritatea diferențială (DNL), neliniaritatea integrală (INL) și alți parametri necesari pentru a asigura o bună performanță în sisteme curent continuu, de exemplu, cum ar fi controlul unei acționări electrice sau a unui proces tehnologic.

Unele aplicații, cum ar fi generarea semnalului de afișare, subliniază necesitatea unei bune performanțe AC, care este specificată în fișa de date în termeni de decalaj, zgomot și lățime de bandă. Realizarea dispozitivului în sine folosind un DAC este mult mai dificilă decât alegerea unui convertor digital-analogic dintr-un catalog, deoarece, pe lângă DAC, sistemul va include mult mai multe componente electronice, a căror influență trebuie să fie luată în considerare. cont. Mai jos vom încerca să luăm în considerare acest lucru.
Conţinut:

Trei arhitecturi de bază pentru DAC-uri de precizie

Când selectați precizia convertorului D/A pentru sistemul dvs., este important ca specificația DAC să corespundă cerințelor sistemului. În comparație cu multitudinea de arhitecturi de convertoare A/D ADC, alegerea unui convertor D/A poate părea o sarcină ușoară, deoarece există doar trei arhitecturi DAC principale. Dar aceasta pare doar o sarcină ușoară, deoarece diferențele de performanță ale fiecărei arhitecturi sunt destul de semnificative.

DAC-ul folosește trei arhitecturi principale - string (serial), R-2R, multiplicator DAC (MDAC).

Convertor de șiruri digital-analogic

Conceptul din spatele convertorului cu șiruri digital-analogic vine de la Lord Kelvin de la mijlocul anilor 1800:

Decodorul de intrare are mai multe comutatoare, câte unul pentru fiecare combinație de biți. Fiecare intrare digitală este conectată la amplificatorul de tensiune de ieșire corespunzător.

DAC-ul de N biți constă dintr-o secvență de 2 N rezistențe de potrivire, precum și o sursă de tensiune la un capăt și masă la celălalt. Un DAC pe trei biți (imaginea de mai sus) necesită opt rezistențe și șapte comutatoare, dar aceste numere cresc foarte mult odată cu creșterea adâncimii de biți și pentru un DAC pe 16 biți aveți deja nevoie de 65536 de rezistențe!!! Acest număr este foarte mare, chiar și pentru sistemele moderne. Pentru a reduce numărul de rezistențe, se folosesc amplificatoare de interpolare și robinete la rezistențele individuale.

Convertoarele șir sau seriale digital-analogic sunt destul de potrivite pentru majoritatea aplicațiilor de precizie, cum ar fi sistemele de control al mișcării control automat(la servo și la controlul unei acționări electrice).

Tensiunea de ieșire a DAC-urilor șir este inițial monotonă, cu o neliniaritate diferențială bună (DNL), dar neliniaritatea sa integrală (INL) nu este foarte bună, deoarece depinde direct de eroarea rezistenței. Din perspectiva sistemelor curent alternativ DAC-urile șir demonstrează mai multe performanta scazutaîn comparație cu alte arhitecturi, deoarece are un nivel de zgomot destul de ridicat, care este cauzat de impedanța ridicată a rezistențelor, iar structura de comutare duce la procesarea mai lentă a semnalului în timpul tranzițiilor, limitând astfel viteza actualizărilor.

Arhitectura R-2R

Această arhitectură este cea mai comună printre convertoarele digital-analogic și diagrama ei este prezentată mai jos:

Această arhitectură folosește numai rezistențe cu două rezistențe diferite, raportul dintre care este definit ca 2 la 1.

Când un anumit bit este setat, rezistorul 2R corespunzător este comutat în poziția V REF - H, altfel este setat în poziția V REF - L (sol). Ca rezultat obținem tensiune de ieșire, care va fi suma tuturor tensiunilor ladder 2R.

Arhitectura R-2R este potrivită pentru utilizarea în instalații și dispozitive industriale. Sunt mai precise decât convertoarele D/A cu șir, au niveluri de zgomot mai scăzute datorită prezenței unei rezistențe mai puțin rezultate și au performanțe INL și DNL mai bune.

Conversia semnalului într-un convertor cu arhitectură R-2R implică comutarea pinului 2R între V REF - H și V REF - L. Rezistoarele interne și comutatoarele din interiorul dispozitivului nu se aliniază perfect, ceea ce poate duce la anumite erori în procesul de comutare.

Multiplicarea convertorului digital-analogic MDAC

Convertorul multiplicator MDAC folosește și arhitectura R-2R, dar cu o tensiune de referință de V REF. Diagrama de mai jos:

Când bitul este setat, rezistorul 2R corespunzător este conectat la pământ virtual - amplificatorul operațional însumat. De aceea, convertorul digital-analogic multiplicator nu produce tensiune, ci curent, în timp ce tensiunea de referință V REF o poate depăși pe cea nominală sau poate fi complet negativă.

Sursa V REF „vede” o rezistență constantă egală cu R în MDAC, deci are întotdeauna un curent de ieșire constant, ceea ce îmbunătățește performanța în timpul tranzițiilor rapide, deoarece nu este nevoie să așteptați până când valoarea tensiunii de referință este restabilită. În funcție de codul digital, fluxul de curent este împărțit într-un contact de ieșire și un contact de masă. Aceasta înseamnă că impedanța de ieșire va fi diferită, ceea ce face oarecum dificilă selectarea unui amplificator operațional extern.

Pentru a îmbunătăți performanța de ieșire, MDAC-urile includ un rezistor intern ca feedback, cu un răspuns termic corespunzător aproximativ rezistorului intern al etapei. Zgomotul intern de la un convertor digital-analogic care se înmulțește provine atât de la rezistențele de etapă, cât și de la rezistența de feedback. Deoarece impedanța de ieșire este dependentă de cod, câștigul de zgomot depinde și de acesta, deși nivelul de zgomot al MDAC este mult mai mic decât cel al DAC-urilor seriale (șir). Este de remarcat faptul că amplificatorul operațional extern op-amp poate fi cu nivel scăzut zgomot

Un dezavantaj este că semnalul de intrare este inversul semnalului de ieșire, care la rândul său necesită o operație suplimentară de inversare.

Înțelegerea parametrilor de performanță AC

Pentru a obține performanță maximă de la un convertor AC D/A, există anumite complexități pe care trebuie să le înțelegeți, precum și posibilii pași pe care îi puteți lua pentru a-l optimiza.

Timpul necesar unui amplificator operațional pentru a atinge valoarea finală este unul dintre principalii indicatori ai calității DAC. Timpii de răspuns ai convertorului digital-analogic sunt afișați mai jos:

  • Timp mort ( Timp mort): acesta este timpul necesar pentru a atinge 10% din valoarea de ieșire necesară semnal analog, începând din momentul în care codul digital a ajuns la convertorul digital-analogic;
  • Timp de creștere a ieșirii ( Sleap time): timpul necesar pentru ca semnalul de ieșire analogic să crească de la 10% la 90%;
  • Timp de recuperare și așezare ( Timp de recuperare timp de decontare liniară): depăşirea şi stabilirea unui semnal analogic de formă dată;

Odată ce semnalul de ieșire analogic se află în intervalul de eroare acceptabil, procesul este complet, chiar dacă semnalul încă fluctuează, dar se află în intervalul de eroare acceptabil.

Mai jos este răspunsul tranzitoriu al unui convertor digital-analogic R-2R DAC988 real, cu un singur canal, pe 18 biți:

Timpul de stabilire a semnalului este măsurat din momentul în care semnalul LDAC scade, după care începe tranzitoriul sistemului. Vă rugăm să rețineți că procesul de dezintegrare a semnalului este cel mai lung, cu proces lung recuperare și influența nesemnificativă a semnalului static asupra acestuia.

Erori de comutare

Modificarea ideală a semnalului de ieșire DAC este o creștere sau o scădere monotonă, dar în realitate nu este cazul, iar modificările semnalului apar brusc. Spre deosebire de timpul de stabilire, eroarea de comutare este cauzată de comutarea internă nepotrivită (factorul dominant) sau de cuplarea capacitivă între semnalele de intrare digitală și de ieșire analogică:

Eroarea este caracterizată de zona sub impulsul fals pozitiv și negativ și este măsurată în volți-secunde (cel mai adesea în µV∙s sau nV∙s).

Pe măsură ce crește numărul de comutatoare paralele, crește și eroarea. Acesta este unul dintre dezavantajele arhitecturii R-2R. Erorile din arhitectura R-2R sunt cele mai vizibile la schimbarea tuturor biților sau la comutarea celor mai semnificativi biți, la trecerea de la 0x7FFF la 0x8000 (pentru DAC-uri pe 16 biți).

Dacă este imposibil să se reducă numărul de rezistențe de comutare în serie, atunci acestea sunt utilizate la ieșirea convertorului, circuitele sunt prezentate mai jos:

Figura a) prezintă cel mai simplu filtru RC, care este instalat la ieșire și vă permite să reduceți ușor nivelul de amplitudine al erorii de ieșire, dar astfel întârzie rata de creștere a semnalului, crescând astfel timpul de întârziere. Figura b) prezintă o opțiune cu adăugarea unui eșantion și menținerea circuitului. Da, acest lucru vă permite să reduceți eroarea la aproape zero, dar este extrem de dificil să implementați o astfel de schemă, deoarece impune cerințe stricte privind timpul de răspuns, precum și sincronizarea strictă cu rata de reîmprospătare a DAC.

Surse de zgomot

Zgomotul este unul dintre componente esentiale performanța unui convertor AC digital-analogic modern. Există trei surse principale de zgomot - rețeaua de rezistență internă, amplificatoare interne și externe și surse de tensiune de referință. Efectul rezistențelor interne asupra zgomotului convertorului a fost discutat mai devreme în acest articol, așa că să ne uităm la celelalte două surse de zgomot.

Zgomot extern amplificatorului operațional

Ieșirea amplificatorului DAC este o altă sursă de zgomot. MDAC folosește un amplificator operațional extern, dar alte arhitecturi folosesc un amplificator operațional intern, care afectează cifra generală a zgomotului de ieșire.

Zgomotul dintr-un circuit op-amp are trei componente principale:

  • zgomot 1/f sau zgomot de pâlpâire;
  • Zgomot de tensiune în bandă largă sau zgomot alb;
  • Zgomot de tensiuni și curenți pe rezistențe;

Primele două contează proprietăți interne amplificatorul operațional în sine, iar lățimea de bandă este limitată de convertorul digital-analogic în sine, ceea ce reduce semnificativ influența zgomotului de bandă largă. Pentru performanță mai bună Pe AC, ar trebui să acordați atenție amplificatoarelor operaționale cu zgomot 1/f scăzut.

Zgomot de la tensiunea de referință externă V REF

Zgomotul de ieșire al DAC depinde direct de zgomotul din tensiunea de referință, care poate fi fie extern, fie intern. Pentru a asigura performanţe maxime şi nivel minim zgomot, este necesar să folosiți surse de tensiune de referință de înaltă calitate. Există o selecție uriașă de referințe de tensiune de la mai mulți producători.

Concluzie

Obținerea performanței AC maxime de la un DAC de precizie este o combinație între înțelegerea specificațiilor tehnice, alegerea arhitecturii potrivite și adăugarea componentelor externe potrivite și, bineînțeles, urmărirea tehnicilor dovedite pentru selectarea și dimensionarea componentelor electronice.

    DAC cu modulare a lățimii impulsului

    DAC condensator comutat în serie

DAC-uri paralele

  • DAC cu însumarea curenților de greutate

    DAC pe surse curente

    Formarea semnalului de ieșire sub formă de tensiune

    DAC condensator comutat în paralel

    DAC cu însumarea tensiunii

Interfețe de convertizor D/A

Aplicație DAC

  • Manipularea numerelor semnate

    Multiplicatori și divizori de funcții

    Atenuatoare și integratoare pe DAC-uri

    Sisteme de sinteză a semnalului digital direct

Parametrii DAC

Convertoare digital-analogic

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

  • După tipul de semnal de ieșire: cu ieșire de curent și ieșire de tensiune

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

    După numărul de DAC-uri de pe cip: cu un singur canal și cu mai multe canale

    După viteză: viteză moderată și mare

Orez. 1. Clasificare DAC

DAC cu însumarea curenților de greutate

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

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

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

R/R=2 – k

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

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

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

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

În acest circuit, setarea coeficienților de ponderare a treptelor convertizorului se realizează prin împărțirea secvenţială a tensiunii de referinţă folosind o matrice rezistivă de impedanţă constantă. Elementul principal al unei astfel de matrice este un divizor de tensiune (Fig. 5), care trebuie să îndeplinească următoarea condiție: dacă este încărcat cu rezistență R n, apoi impedanța sa de intrare R inx trebuie să ia și valoarea R n. Coeficientul de slăbire a lanțului = U 2 /U 1 la această sarcină trebuie să aibă valoarea specificată. Când aceste condiții sunt îndeplinite, obținem următoarele expresii pentru rezistențe:

în conformitate cu fig. 4.

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

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

și curentul de intrare

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

Precizia acestui circuit este redusă de faptul că pentru DAC-urile cu biți înalți, este necesar să se potrivească rezistența. R 0 întrerupătoare cu curenți de descărcare. Acest lucru este deosebit de important pentru cheile de comandă superioară. De exemplu, în DAC-ul AD7520 pe 10 biți, MOSFET-urile cheie ale celor mai importanți șase biți sunt făcute diferite ca suprafață și rezistență. R 0 crește în funcție de codul binar (20, 40, 80, ..., 640 Ohmi). În acest fel, căderile de tensiune între comutatoarele primilor șase biți sunt egalizate (până la 10 mV), ceea ce asigură monotonitatea și liniaritatea răspunsului tranzitoriu DAC. DAC 572PA2 pe 12 biți are o neliniaritate diferențială de până la 0,025% (1 LSB).

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

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

Permisiune

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

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

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

    Interval de intrare = 0 până la 10 volți

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

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

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

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

    Interval de intrare = -10 până la +10 volți

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

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

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

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

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

Tipuri de conversie

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

Căutare directă secvenţială

Aproximare succesivă

Serial cu modulație sigma-delta

O singură etapă paralelă

Paralel în două sau mai multe trepte (conveior)

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

Precizie

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

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

Tipuri de ADC-uri

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

ADC de conversie directă:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ADC-uri comerciale

De regulă, ele sunt produse sub formă de microcircuite.

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

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

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

Alte aplicații

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

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

ADC-urile sunt parte integrantă sisteme de colectare a datelor.

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

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

Cântare moderne utilizați ADC-uri cu o capacitate de până la 24 de biți, transformând semnalul direct de la senzorul de extensometru (ADC sigma-delta).

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

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

Convertor digital-analogic (DAC) - un dispozitiv pentru conversia codului digital (de obicei binar) într-un semnal analogic (curent, tensiune sau încărcare). Convertoarele digital-analogic sunt interfața între discrete lumea digitalăși semnale analogice.

Un convertor analog-digital (ADC) produce operare inversă.

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

Aplicație

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

Tipuri DAC

Cele mai comune tipuri de DAC-uri electronice sunt:

Modulator de lățime a impulsului - cel mai simplu tip DAC. O sursă stabilă de curent sau tensiune este pornită periodic pentru o perioadă de timp proporțională cu codul digital convertit, apoi secvența de impulsuri rezultată este filtrată de un filtru analog trece-jos. Această metodă este adesea folosită pentru a controla viteza motoarelor electrice și devine, de asemenea, populară în audio Hi-Fi;

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

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

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

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

Caracteristici

DAC-urile sunt situate la începutul căii analogice a oricărui sistem, astfel încât parametrii DAC-ului determină în mare măsură parametrii întregului sistem în ansamblu. Următoarele sunt cele mai multe caracteristici importante DAC.

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

Frecvența maximă de eșantionare este frecvența maximă la care poate funcționa DAC-ul, producând rezultatul corect la ieșire. Conform teoremei Nyquist-Shannon (cunoscută și ca teorema Kotelnikov), pentru a reproduce corect un semnal analogic dintr-o formă digitală, frecvența de eșantionare trebuie să fie de cel puțin două ori frecvența maximă din spectrul semnalului. De exemplu, pentru a reproduce întreaga gamă de frecvență audio audibilă umană, al cărei spectru se extinde până la 20 kHz, este necesar ca semnalul audio să fie eșantionat la o frecvență de cel puțin 40 kHz. Standardul Audio CD setează rata de eșantionare audio la 44,1 kHz; a juca semnal dat Veți avea nevoie de un DAC capabil să funcționeze la această frecvență. Plăcile de sunet ieftine pentru computere au o rată de eșantionare de 48 kHz. Semnalele eșantionate la alte frecvențe sunt reeșantionate la 48 kHz, ceea ce degradează parțial calitatea semnalului.

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

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

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

Caracteristici statice:

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

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

    câştig;

    părtinire.

Caracteristici de frecventa:

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

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

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

Prelegerea nr. 3

„Conversie analog-digitală și digital-analogic”.

În sistemele cu microprocesor, rolul unui element de impuls este îndeplinit de un convertor analog-digital (ADC), iar rolul de extrapolator este jucat de un convertor digital-analogic (DAC).

Conversie analog-digitală constă în transformarea informaţiei conţinute într-un semnal analogic într-un cod digital . Conversie digital-analogic este conceput pentru a îndeplini sarcina inversă, adică converti un număr reprezentat ca cod digital într-un semnal analogic echivalent.

ADC-urile, de regulă, sunt instalate în circuitele de feedback ale sistemelor de control digital pentru a converti semnalele de feedback analogice în coduri percepute de partea digitală a sistemului. Acea. ADC-urile îndeplinesc mai multe funcții, cum ar fi: eșantionarea timpului, cuantizarea nivelului, codificarea. O diagramă bloc generalizată a ADC este prezentată în Fig. 3.1.


Un semnal sub formă de curent sau tensiune este furnizat la intrarea ADC, care este cuantificat după nivel în timpul procesului de conversie. Caracteristica statică ideală a unui ADC pe 3 biți este prezentată în Fig. 3.2.


Semnalele de intrare pot lua orice valoare în intervalul de la – Umax la Umax , iar weekendul corespunde cu opt (2 3) niveluri discrete. Valoarea tensiunii de intrare la care are loc o tranziție de la o valoare a codului de ieșire ADC la o altă valoare adiacentă se numește tensiune de tranziție intercodă. Se numește diferența dintre două valori adiacente ale tranzițiilor intercod pas de cuantizare sau unitatea bitului cel mai puțin semnificativ (LSB).Punctul de plecare al caracteristicilor de transformare este punctul definit de valoarea semnalului de intrare, definit ca

(3.1),

unde U 0,1 – tensiunea primei tranziții intercod, U LSB – pas de cuantizare ( LSB – Bit cel mai puțin semnificativ ). conversia corespunde tensiunii de intrare determinata de relatie

(3.2).

Domeniul tensiunii de intrare ADC este limitat la U 0,1 și U N-1,N numit intervalul de tensiune de intrare.

(3.3).

Domeniul tensiunii de intrare și valoarea LSB N -bit ADC și DAC sunt conectate prin relație

(3.4).

Voltaj

(3.5)

numit tensiune la scară completă ( FSR – Gama la scară completă ). De obicei, acest parametru este determinat de nivelul de ieșire al sursei de tensiune de referință conectată la ADC. Mărimea etapei de cuantificare sau unitatea cifrei celei mai puțin semnificative, adică egal cu

(3.6),

și valoarea unității cifrei celei mai semnificative

(3.7).

După cum se poate observa din Fig. 3.2, în timpul procesului de conversie apare o eroare care nu depășește jumătate din valoarea bitului cel mai puțin semnificativ U LSB /2.

Există diferite metode de conversie analog-digitală, care diferă în precizie și viteză. În cele mai multe cazuri, aceste caracteristici sunt antagonice unele cu altele. În prezent, astfel de tipuri de convertoare cum ar fi ADC-uri de aproximări succesive (echilibrare pe biți), care integrează ADC-uri, paralele ( Flash ) ADC, ADC „sigma-delta” etc.

Diagrama bloc a ADC de aproximare succesivă este prezentată în Fig. 3.3.



Elementele principale ale dispozitivului sunt un comparator (K), un convertor digital-analogic (DAC) și un circuit de control logic. Principiul conversiei se bazează pe o comparație secvențială a nivelului semnalului de intrare cu nivelurile semnalului corespunzătoare diferitelor combinații ale codului de ieșire și formarea codului rezultat pe baza rezultatelor comparațiilor. Ordinea codurilor comparate satisface regula jumătăților. La începutul conversiei, codul de intrare DAC este setat la o stare în care toți biții, cu excepția celor mai semnificativi, sunt 0, iar cel mai semnificativ este 1. Cu această combinație, este generată o tensiune egală cu jumătate din intervalul de tensiune de intrare la ieșirea DAC. Această tensiune este comparată cu tensiunea de intrare la comparator. Dacă semnalul de intrare este mai mare decât semnalul provenit de la DAC, atunci bitul cel mai semnificativ al codului de ieșire este setat la 1, altfel este resetat la 0. La următorul ciclu de ceas, codul parțial format în acest fel este din nou primit la intrarea DAC, următorul bit este setat la unu și comparația se repetă. Procesul continuă până când este comparat bitul cel mai puțin semnificativ. Acea. a forma N -bit cod de ieșire necesar N cicluri identice de comparaţie elementară. Aceasta înseamnă că, în condiții egale, performanța unui astfel de ADC scade pe măsură ce capacitatea sa de biți crește. Elementele interne ale ADC de aproximare succesivă (DAC și comparator) trebuie să aibă o precizie mai mare de jumătate din bitul cel mai puțin semnificativ al ADC.

Diagrama bloc a paralelei ( Flash ) ADC este prezentat în Fig. 3.4.



În acest caz, tensiunea de intrare este furnizată imediat pentru comparare cu intrările cu același nume N -1 comparatoare. Intrările opuse ale comparatoarelor sunt furnizate cu semnale de la un divizor de tensiune de înaltă precizie, care este conectat la o sursă de tensiune de referință. În acest caz, tensiunile de la ieșirile divizorului sunt distribuite uniform de-a lungul întregului interval de modificări ale semnalului de intrare. Codificatorul prioritar generează un semnal digital de ieșire corespunzător celui mai înalt comparator cu semnalul de ieșire activat. Acea. a furniza N este necesară conversia de biți 2 N rezistențe divizor și 2 N -1 comparator. Aceasta este una dintre cele mai rapide metode de conversie. Cu toate acestea, cu o capacitate mare, necesită costuri hardware mari. Precizia tuturor rezistențelor divizor și comparatoare trebuie să fie din nou mai bună decât jumătate din valoarea LSB.

Schema bloc a ADC cu dublă integrare este prezentată în Fig. 3.5.


Elementele principale ale sistemului sunt un comutator analogic format din taste SW 1, SW 2, SW 3, integratorul I, comparatorul K și contorul C. Procesul de conversie constă din trei faze (Fig. 3.6).


În prima fază cheia este închisă S.W. 1, iar cheile rămase sunt deschise. Printr-o cheie închisă S.W. 1, tensiunea de intrare este aplicată unui integrator, care integrează semnalul de intrare pe un interval de timp fix. După acest interval de timp, nivelul semnalului de ieșire al integratorului este proporțional cu valoarea semnalului de intrare. La a doua etapă a transformării, cheia S.W. 1 se deschide și cheia S.W. 2 se închide și un semnal de la sursa de tensiune de referință este furnizat la intrarea integratorului. Condensatorul integrator este descărcat din tensiunea acumulată în primul interval de conversie la o rată constantă proporțională cu tensiunea de referință. Această etapă continuă până când tensiunea de ieșire a integratorului scade la zero, așa cum demonstrează ieșirea comparatorului, care compară semnalul integratorului cu zero. Durata celei de-a doua etape este proporțională cu tensiunea de intrare a convertorului. Pe parcursul întregii etape a doua, impulsurile de înaltă frecvență cu o frecvență calibrată sunt trimise la contor. Acea. după a doua etapă, citirile contorului digital sunt proporționale cu tensiunea de intrare. Folosind această metodă, puteți obține o precizie foarte bună fără prezentare cerințe ridicate la precizia și stabilitatea componentelor. În special, stabilitatea capacității integratorului poate să nu fie mare, deoarece ciclurile de încărcare și descărcare au loc la o rată invers proporțională cu capacitatea. Mai mult, erorile de deplasare și deplasare ale comparatorului sunt compensate prin începerea și sfârșitul fiecărei etape de conversie la aceeași tensiune. Pentru a crește acuratețea, se utilizează a treia etapă de conversie, când integratorul introduce printr-o cheie S.W. 3 este dat un semnal zero. Deoarece același integrator și comparator sunt utilizați în acest pas, scăderea valorii erorii de ieșire la zero din măsurarea ulterioară poate compensa erorile asociate cu măsurători aproape de zero. Nu se impun cerințe stricte nici măcar asupra frecvenței impulsurilor de ceas care ajung la contor, deoarece din aceleași impulsuri se formează un interval de timp fix la prima etapă de conversie. Cerințele stricte sunt impuse numai asupra curentului de descărcare, adică. la sursa de tensiune de referinţă. Dezavantajul acestei metode de conversie este performanța sa scăzută.

ADC-urile sunt caracterizate printr-un număr de parametri care fac posibilă selectarea unui anumit dispozitiv în funcție de cerințele sistemului. Toți parametrii ADC pot fi împărțiți în două grupe: statici și dinamici. Primele determină caracteristicile de precizie ale dispozitivului atunci când lucrează cu un semnal de intrare constant sau care se schimbă lent, iar cele din urmă caracterizează performanța dispozitivului ca menținerea preciziei pe măsură ce frecvența semnalului de intrare crește.

Nivelul de cuantizare situat în vecinătatea lui zero a semnalului de intrare corespunde tensiunilor de tranziție între coduri de –0,5 U LSB și 0,5 U LSB (prima apare numai în cazul unui semnal de intrare bipolar). Cu toate acestea, în dispozitivele reale, aceste tensiuni de tranziție între coduri pot diferi de aceste valori ideale. Se numește abaterea nivelurilor reale ale acestor tensiuni ale tranzițiilor intercodurilor de la valorile lor ideale eroare bipolară de decalaj zero ( Eroare bipolară zero ) Și eroare unipolară de decalaj zero ( Eroare de compensare zero ) respectiv. Pentru intervalele de conversie bipolară, se utilizează de obicei eroarea de decalaj zero, iar pentru intervalele de conversie unipolară, este de obicei utilizată eroarea de decalaj unipolar. Această eroare conduce la o deplasare paralelă a caracteristicii de transformare reală în raport cu caracteristica ideală de-a lungul axei absciselor (Fig. 3.7).


Abaterea nivelului semnalului de intrare corespunzător ultimei tranziții intercod de la valoarea sa ideală U FSR -1,5 U LSB , numit eroare la scară completă ( Eroare la scară completă).

Coeficient Conversie ADC se numește tangenta unghiului de înclinare a dreptei trasate prin punctele de început și de sfârșit ale caracteristicii reale de transformare. Se numește diferența dintre valorile reale și ideale ale coeficientului de conversie eroare factor de conversie ( Eroare de câștig ) (Fig. 3.7) Include erorile de la capetele scalei, dar nu include erorile de la zero. Pentru domeniul unipolar se definește ca diferența dintre eroarea de scară completă și eroarea de decalaj zero unipolară, iar pentru domeniul bipolar este definită ca diferența dintre eroarea de scară completă și eroarea de decalaj zero bipolară. De fapt, în orice caz, aceasta este o abatere a distanței ideale dintre ultima și prima tranziție intercod (egal cu U FSR -2 U LSB ) din valoarea sa reală.

Erorile zero offset și câștig pot fi compensate prin reglarea preamplificatorului ADC. Pentru a face acest lucru, trebuie să aveți un voltmetru cu o precizie nu mai slabă de 0,1 U LSB . Pentru a asigura independența acestor două erori, corectați mai întâi eroarea de compensare a zero și apoi eroarea coeficientului de conversie.Pentru a corecta eroarea de decalaj zero ADC, trebuie să:

1. Setați tensiunea de intrare exact la 0,5 U LSB;

2. Ajustați offset-ul preamplificator ADC până când ADC trece în starea 00...01.

Pentru a corecta eroarea factorului de conversie este necesar:

1. Setați tensiunea de intrare exact la nivelul respectiv U FSR -1,5 U LSB ;

2. Reglați câștigul preamplificatorului ADC până când ADC trece în starea 11...1.

Datorită imperfecțiunii elementelor circuitului ADC, pașii în diferite puncte ale caracteristicilor ADC diferă unul de celălalt ca mărime și nu sunt egali U LSB (Fig. 3.8).


Abaterea distanței dintre punctele mijlocii a două trepte de cuantizare reale adiacente de la valoarea ideală a treptei de cuantizare U LSB numit neliniaritate diferenţială (DNL – Neliniaritate diferențială). Dacă DNL mai mare sau egal cu U LSB , atunci ADC poate avea așa-numitele „coduri lipsă” (Fig. 3.3). Aceasta implică o schimbare locală bruscă a coeficientului de transmisie ADC, care în sistemele de control în buclă închisă poate duce la pierderea stabilității.

Pentru acele aplicații în care este important să se mențină semnalul de ieșire cu o precizie dată, este important ca codurile de ieșire ADC să se potrivească cât mai aproape cu tensiunile de tranziție dintre coduri. Abaterea maximă a centrului etapei de cuantizare pe caracteristica ADC reală față de caracteristica liniarizată se numește neliniaritate integrală (INL – Integral Nonlinearity) sauprecizie relativă (Precizie relativă) ADC (Fig. 3.9).


Caracteristica liniarizată se trasează prin punctele extreme ale caracteristicii reale de transformare, după ce acestea au fost calibrate, adică. Erorile zero offset și factorul de conversie au fost eliminate.

Este aproape imposibil să se compenseze erorile de neliniaritate diferențială și integrală folosind mijloace simple.

Rezoluție ADC ( Rezoluţie ) este reciproca numărului maxim de combinații de coduri la ieșirea ADC

(3.8).

Acest parametru determină ce nivel minim de semnal de intrare (față de semnalul de amplitudine completă) poate percepe ADC.

Precizia și rezoluția sunt două caracteristici independente. Rezoluția joacă un rol decisiv atunci când este important să se furnizeze un anumit interval dinamic al semnalului de intrare. Precizia este critică atunci când este necesar să se mențină variabila controlată la un nivel dat cu o precizie fixă.

Gama dinamică a ADC (DR - Interval dinamic ) este raportul dintre nivelul maxim de tensiune de intrare perceput și cel minim, exprimat în dB

(3.9).

Acest parametru determină cantitatea maximă de informații pe care ADC-ul este capabil să o transmită. Deci, pentru un ADC pe 12 biți DR = 72 dB.

Caracteristicile ADC-urilor reale diferă de caracteristicile dispozitivelor ideale datorită elementelor neideale ale dispozitivului real. Să luăm în considerare câțiva parametri care caracterizează ADC-urile reale.

Raportul semnal-zgomot(SNR – raportul semnal-zgomot ) este raportul dintre valoarea rms a semnalului sinusoidal de intrare și valoarea rms a zgomotului, care este definită ca suma tuturor celorlalte componente spectrale până la jumătate din frecvența de eșantionare, excluzând componenta DC. Pentru perfect N -bit ADC care generează doar zgomot de cuantizare SNR , exprimat în decibeli, poate fi definit ca


(3.10),

unde N - Capacitate ADC. Deci, pentru un ADC ideal pe 12 biți SNR =74 dB. Această valoare este mai mare decât valoarea interval dinamic acelaşi ADC pentru că Nivelul minim al semnalului perceput trebuie să fie mai mare decât nivelul de zgomot. Această formulă ia în considerare doar zgomotul de cuantizare și nu ia în considerare alte surse de zgomot care există în ADC-urile reale. Prin urmare, valorile SNR pentru ADC-urile reale este de obicei mai mic decât ideal. Valoare tipica SNR pentru un ADC real pe 12 biți este de 68-70 dB.

Dacă semnalul de intrare are un swing mai mic U FSR , apoi ultima formulă trebuie ajustată

(3.11),

unde KOS este atenuarea semnalului de intrare, exprimată în dB. Deci, dacă semnalul de intrare al unui ADC pe 12 biți are o amplitudine de 10 ori mai mică decât jumătate din tensiunea la scară completă, atunci KOS = -20 dB și SNR =74 dB – 20 dB = 54 dB.

Adică real SNR poate fi folosit pentru determinarea numărului efectiv de biți ADC( ENOB – Numărul efectiv de biți ). Este determinat de formula

(3.12).

Acest indicator poate caracteriza capacitatea decisivă reală a unui ADC real. Astfel, un ADC de 12 biți pentru care SNR =68 dB pentru un semnal cu KOS = -20 dB este de fapt 7 biți ( ENOB =7,68). Valoarea ENOB depinde puternic de frecvența semnalului de intrare, adică Capacitatea efectivă de biți a ADC scade odată cu creșterea frecvenței.

Distorsiune armonica totala ( THD – Distorsiunea armonică totală ) este raportul dintre suma valorilor pătrate medii ale tuturor armonicilor superioare la valoarea pătratică medie a armonicii fundamentale

(3.13),

unde n de obicei limitat la nivelul 6 sau 9. Acest parametru caracterizează nivelul de distorsiune armonică a semnalului de ieșire ADC în comparație cu intrarea. THD crește cu frecvența semnalului de intrare.

Banda de frecvență de putere completă ( FPBW – Lățimea de bandă completă ) este frecvența maximă de la vârf la vârf a semnalului de intrare la care amplitudinea componentei fundamentale reconstruite scade cu cel mult 3 dB. Pe măsură ce frecvența semnalului de intrare crește, circuitele analogice ale ADC-ului nu mai au timp să-și proceseze modificările cu o precizie dată, ceea ce duce la o scădere a coeficientului de conversie al ADC-ului la frecvențe înalte.

Timp de stabilire (Timpul de stabilire ) este timpul necesar pentru ca ADC să-și atingă precizia nominală după ce la intrarea sa a fost aplicat un semnal de pas cu o amplitudine egală cu întreaga gamă a semnalului de intrare. Acest parametru este limitat din cauza vitezei finite a diferitelor noduri ADC.

Datorită diferitelor tipuri de erori, caracteristicile unui ADC real sunt neliniare. Dacă un semnal al cărui spectru este format din două armonice este aplicat la intrarea unui dispozitiv cu neliniarități f a și f b , apoi în spectrul semnalului de ieșire al unui astfel de dispozitiv, pe lângă armonicile principale, vor exista subarmonici de intermodulație cu frecvențe, unde m, n =1,2,3,... Subarmonicele de ordinul doi sunt f a + f b , f a - f b , subarmonicele de ordinul trei sunt 2 f a + f b , 2 f a - f b , f a +2 f b , f a -2 f b . Dacă sinusoidele de intrare au frecvențe similare situate aproape de Marginea superioară banda de trecere, atunci subarmonicele de ordinul doi sunt departe de sinusoidele de intrare și sunt situate în regiunea de frecvență joasă, în timp ce subarmonicele de ordinul trei au frecvențe apropiate de frecvențele de intrare.

Factorul de distorsiune de intermodulație ( Distorsiunea intermodulatina ) este raportul dintre suma valorilor pătratice medie ale subarmonicilor de intermodulație de un anumit ordin și suma valorilor pătratice medie ale armonicilor fundamentale, exprimată în dB

(3.14).

Orice metodă de conversie analog-digitală necesită un timp finit pentru finalizare. Sub Timp de conversie ADC ( Timp de conversie ) se referă la intervalul de timp din momentul în care semnalul analogic ajunge la intrarea ADC până când apare codul de ieșire corespunzător. Dacă semnalul de intrare al ADC se modifică în timp, atunci timpul de conversie finit al ADC duce la apariția așa-numitului. eroare de deschidere(Fig. 3.10).


Semnalul de începere a conversiei sosește în acest moment t 0 , iar codul de ieșire apare în acest moment t 1 . În acest timp, semnalul de intrare a reușit să se schimbe cu cantitateaD U . Apare incertitudine: ce nivel al valorii semnalului de intrare este în interval U 0 – U 0 + D U corespunde acestui cod de ieșire. Pentru a menține acuratețea conversiei la nivelul unității bitului cel mai puțin semnificativ, este necesar ca, în timpul conversiei, modificarea valorii semnalului la intrarea ADC să nu fie mai mare decât valoarea unuia dintre cele mai puțin semnificative. bit semnificativ

(3.15).

Modificarea nivelului semnalului în timpul conversiei poate fi calculată aproximativ ca

(3.16),

unde Uin - tensiune de intrare ADC, Tc – timpul de conversie. Înlocuind (3.16) în (3.15) obținem

(3.17).

Dacă intrarea este un semnal sinusoidal cu o frecvență f

(3.18),

atunci derivata sa va fi egală

(3.19).

El capătă valoarea sa maximă atunci când cosinusul este egal cu 1. Înlocuind (3.9) în (3.7) având în vedere acest lucru, obținem

, sau

(3.20)

Timpul de conversie finit al ADC duce la cerința de a limita rata de modificare a semnalului de intrare. Pentru a reduce eroarea de deschidere etc. pentru a slăbi limitarea ratei de schimbare a semnalului de intrare ADC la intrarea convertizorului, așa-numita „dispozitiv de stocare a probelor” (SSD) ( Unitate de urmărire/reținere ). O diagramă simplificată a UVH este prezentată în Fig. 3.11.


Acest dispozitiv are două moduri de funcționare: modul de eșantionare și modul de blocare. Modul de eșantionare corespunde stării închise a tastei S.W. . În acest mod, tensiunea de ieșire a UVH-ului își repetă tensiunea de intrare. Modul de fixare este activat printr-o comandă de la cheia de deschidere S.W. . În acest caz, conexiunea dintre intrarea și ieșirea UVH este întreruptă, iar semnalul de ieșire este menținut la un nivel constant corespunzător nivelului semnalului de intrare în momentul primirii comenzii de fixare din cauza încărcăturii acumulate pe condensator. Astfel, dacă o comandă de menținere este dată imediat înainte de începerea conversiei ADC, semnalul de ieșire al UVH va fi menținut la un nivel constant pe toată durata conversiei. După finalizarea conversiei, UVH este din nou comutat în modul de eșantionare. Funcționarea unui UVH real este oarecum diferită de cazul ideal descris (Fig. 3.12).


(3.21),

unde f – frecvența semnalului de intrare, tA – valoarea incertitudinii deschiderii.

În UVH reale, semnalul de ieșire nu poate rămâne absolut neschimbat în timpul unui timp finit de conversie. Condensatorul va fi descărcat treptat de curentul mic de intrare al tamponului de ieșire. Pentru a menține precizia necesară, este necesar ca în timpul conversiei încărcarea condensatorului să nu se modifice cu mai mult de 0,5 U LSB.

Convertoare digital-analogic sunt instalate de obicei la ieșirea unui sistem cu microprocesor pentru a-și converti codurile de ieșire într-un semnal analog furnizat unui obiect de control continuu. Caracteristica statică ideală a unui DAC pe 3 biți este prezentată în Fig. 3.13.


Punctul de plecare caracteristic definit ca punctul corespunzător primului (zero) cod de intrare U 00...0 . Caracteristica punctului final definit ca punctul corespunzător ultimului cod de intrare U 11…1 . Definițiile intervalului de tensiune de ieșire, bitul cel mai puțin semnificativ al unității de cuantizare, eroarea de compensare zero și eroarea coeficientului de conversie sunt similare cu caracteristicile corespunzătoare ale ADC.

Din punct de vedere al organizării structurale, DAC-urile au o varietate mult mai mică de opțiuni pentru construirea unui convertor. Structura principală a DAC este așa-numita. "lanţ Diagrama R -2 R” (Fig. 3.14).



Este ușor de arătat că curentul de intrare al circuitului este I în = U REF / R , iar curenții verigilor succesive din lanț sunt, respectiv eu in /2, eu in /4, eu in /8 etc. Pentru a converti codul digital de intrare într-un curent de ieșire, este suficient să colectați toți curenții brațelor corespunzători celor din codul de intrare la punctul de ieșire al convertorului (Fig. 3.15).


Dacă un amplificator operațional este conectat la punctul de ieșire al convertorului, atunci tensiunea de ieșire poate fi determinată ca

(3.22),

unde K – introducerea codului digital, N - Adâncime de biți DAC.

Toate DAC-urile existente sunt împărțite în două grupuri mari: DAC-uri cu ieșire de curent și DAC-uri cu ieșire de tensiune. Diferența dintre ele constă în absența sau prezența unei etape finale pe un amplificator operațional din cipul DAC. DAC-urile de ieșire de tensiune sunt dispozitive mai complete și necesită mai puțin elemente suplimentare pentru munca ta. Totuși, etapa finală, împreună cu parametrii circuitului forestier, determină parametrii dinamici și de precizie ai DAC. Este adesea dificil să implementați un amplificator operațional precis de mare viteză pe același cip ca un DAC. Prin urmare, majoritatea DAC-urilor de mare viteză au o ieșire de curent.

Neliniaritate diferențială pentru un DAC este definit ca abaterea distanței dintre două niveluri adiacente ale semnalului analog de ieșire de la valoarea ideală U LSB . O valoare mare a neliniarității diferențiale poate face ca DAC să devină nemonoton. Aceasta înseamnă că o creștere a codului digital va duce la o scădere a semnalului de ieșire într-o anumită parte a caracteristicii (Fig. 3.16). Acest lucru poate duce la generarea nedorită în sistem.


Neliniaritate integrală pentru un DAC, definit ca cea mai mare abatere a nivelului semnalului analogic de ieșire de la o linie dreaptă trasată prin punctele corespunzătoare primului și ultimului cod după ce acestea au fost ajustate.

Timp de stabilire DAC este definit ca timpul în care semnalul de ieșire DAC va fi stabilit la un anumit nivel cu o eroare de cel mult 0,5 U LSB după ce codul de intrare s-a schimbat de la valoarea 00...0 la valoarea 11...1. Dacă DAC-ul are registre de intrare, atunci o anumită parte a timpului de stabilire se datorează întârzierii fixe în trecerea semnalelor digitale, iar doar partea rămasă se datorează inerției circuitului DAC însuși. Prin urmare, timpul de stabilire este de obicei măsurat nu din momentul în care un cod nou ajunge la intrarea DAC, ci din momentul în care semnalul de ieșire începe să se schimbe, corespunzător noului cod, până când semnalul de ieșire este stabilit cu precizie. 0,5U LSB (Fig. 3.17).


În acest caz, timpul de stabilire determină frecvența maximă de eșantionare a DAC

(3.23),

unde t S – timpul de stabilire.

Circuitele digitale de intrare ale DAC au o viteză finită. În plus, viteza de propagare a semnalelor corespunzătoare diferiților biți ai codului de intrare nu este aceeași din cauza variației parametrilor elementelor și caracteristicilor circuitului. Drept urmare, brațele circuitului de scară DAC nu comută sincron când sosește un nou cod, ci cu o anumită întârziere unul față de celălalt. Acest lucru duce la faptul că, în diagrama tensiunii de ieșire a DAC, la trecerea de la o valoare constantă la alta, se observă supratensiuni de diferite amplitudini și direcții (Fig. 3.18).


Conform algoritmului de operare, DAC este un extrapolator de ordin zero, al cărui răspuns în frecvență poate fi reprezentat prin expresia

(3.24),

Unde w s - frecvența de eșantionare. Răspunsul amplitudine-frecvență al DAC este prezentat în Fig. 3.20.


După cum se vede, la o frecvență de 0,5w s semnalul reconstruit este atenuat cu 3,92 dB în comparație cu componentele de joasă frecvență ale semnalului. Astfel, există o ușoară distorsiune a spectrului semnalului reconstruit. În cele mai multe cazuri, această mică distorsiune nu afectează semnificativ performanța sistemului. Cu toate acestea, în cazurile în care este necesară o liniaritate crescută a caracteristicilor spectrale ale sistemului (de exemplu, în sistemele de procesare audio), pentru a nivela spectrul rezultat la ieșirea DAC, este necesar să instalați un filtru special de restaurare cu un răspuns în frecvență de tipul x/sin(x).

Un convertor digital-analogic (DAC) este un dispozitiv pentru conversia unui cod digital într-un semnal analogic într-o mărime proporțională cu valoarea codului.

DAC-urile sunt folosite pentru a conecta sistemele de control digital cu dispozitive care sunt controlate de nivelul unui semnal analogic. De asemenea, DAC-ul este o parte integrantă a multor structuri analog-digitale de dispozitive și convertoare.

DAC-ul este caracterizat de o funcție de conversie. Leagă o modificare a codului digital cu o modificare a tensiunii sau curentului. Funcția de conversie DAC este exprimată după cum urmează

ieși- valoarea tensiunii de iesire corespunzatoare codului digital Nin, alimentat la intrările DAC.

U max- tensiune maximă de ieșire corespunzătoare codului maxim aplicat intrărilor N max

mărimea K DAC, determinat de raport, se numește coeficient de conversie digital-analogic. În ciuda naturii treptate a caracteristicii asociate cu o modificare discretă a valorii de intrare (cod digital), se crede că DAC-urile sunt convertoare liniare.

Dacă valoarea Nin reprezentată prin valorile greutăților cifrelor sale, funcția de transformare poate fi exprimată după cum urmează

, Unde

i- numărul de cifre al codului de intrare Nin; A i- sens i a-a cifră (zero sau unu); Ui – greutate i-a categoriei; n – numărul de biți ai codului de intrare (numărul de biți ai DAC-ului).

Greutatea bitului este determinată pentru o anumită capacitate de bit și este calculată folosind următoarea formulă

U OP - Tensiune de referință DAC

Principiul de funcționare al majorității DAC-urilor este însumarea cotelor semnalelor analogice (greutatea de descărcare), în funcție de codul de intrare.

DAC poate fi implementat folosind însumarea curentului, însumarea tensiunii și diviziunea tensiunii. În primul și al doilea caz, în conformitate cu valorile biților codului de intrare, sunt însumate semnalele generatoarelor de curent și surselor E.M.F. Ultima metodă este un divizor de tensiune controlat de cod. Două cele mai recente metode nu au găsit o utilizare pe scară largă din cauza dificultăților practice în implementarea lor.

Metode de implementare a unui DAC cu însumarea ponderată a curenților

Să luăm în considerare construcția unui DAC simplu cu însumarea ponderată a curenților.

Acest DAC constă dintr-un set de rezistențe și un set de comutatoare. Numărul de chei și numărul de rezistențe este egal cu numărul de biți n cod de introducere. Valorile rezistoarelor sunt selectate în conformitate cu legea binară. Dacă R=3 Ohmi, atunci 2R=6 Ohmi, 4R=12 Ohmi, și așa mai departe, adică. Fiecare rezistor ulterior este de 2 ori mai mare decât cel precedent. Când o sursă de tensiune este conectată și comutatoarele sunt închise, curentul va curge prin fiecare rezistor. Valorile curente ale rezistențelor, datorită alegerii adecvate a evaluărilor lor, vor fi, de asemenea, distribuite conform legii binare. La trimiterea unui cod de intrare Nin Tastele sunt pornite în funcție de valoarea biților corespunzători ai codului de intrare. Cheia este închisă dacă bitul corespunzător este egal cu unu. În acest caz, curenții sunt însumați în nod, proporțional cu greutățile acestor biți, iar mărimea curentului care curge din nod în ansamblu va fi proporțională cu valoarea codului de intrare. Nin.

Rezistența rezistențelor matriceale este aleasă să fie destul de mare (zeci de kOhmi). Prin urmare, pentru majoritatea cazurilor practice, DAC joacă rolul unei surse de curent pentru sarcină. Dacă este necesar să se obțină tensiune la ieșirea convertorului, atunci un convertor curent-tensiune este instalat la ieșirea unui astfel de DAC, de exemplu, pe un amplificator operațional

Cu toate acestea, atunci când codul se schimbă la intrările DAC, cantitatea de curent preluată de la sursa de tensiune de referință se modifică. Acesta este principalul dezavantaj al acestei metode de construire a unui DAC. . Această metodă de construcție poate fi utilizată numai dacă sursa de tensiune de referință are rezistență internă scăzută. Într-un alt caz, în momentul în care codul de intrare este schimbat, curentul preluat de la sursă se modifică, ceea ce duce la o modificare a căderii de tensiune pe rezistența sa internă și, la rândul său, la o modificare suplimentară a curentului de ieșire care nu are legătură directă. la schimbarea codului. Structura DAC-ului cu comutatoare ne permite să eliminăm acest dezavantaj.

Într-o astfel de structură există două noduri de ieșire. În funcție de valoarea biților codului de intrare, cheile corespunzătoare sunt conectate la nodul conectat la ieșirea dispozitivului, sau la un alt nod, care este cel mai adesea împământat. În acest caz, curentul curge constant prin fiecare rezistor al matricei, indiferent de poziția comutatorului, iar cantitatea de curent consumată de la sursa de tensiune de referință este constantă.

Un dezavantaj comun al ambelor structuri luate în considerare este raportul mare dintre cele mai mici și cele mai mari valori ale rezistențelor matriceale. În același timp, în ciuda diferenței mari de evaluări ale rezistoarelor, este necesar să se asigure aceeași precizie absolută de potrivire atât pentru cel mai mare, cât și pentru cel mai mic rezistor. Într-un design DAC integrat cu mai mult de 10 biți, acest lucru este destul de dificil de realizat.

Structurile bazate pe materiale rezistive nu prezintă toate dezavantajele de mai sus. R-2R matrici

Cu această construcție a matricei rezistive, curentul în fiecare ramură paralelă ulterioară este de două ori mai mic decât în ​​cea anterioară. Prezența a doar două valori ale rezistoarelor în matrice face să fie destul de ușoară ajustarea valorilor acestora.

Curentul de ieșire pentru fiecare dintre structurile prezentate este simultan proporțional nu numai cu valoarea codului de intrare, ci și cu valoarea tensiunii de referință. Se spune adesea că este proporțională cu produsul acestor două mărimi. Prin urmare, astfel de DAC-uri sunt numite multiplicatori. Toată lumea va avea aceste proprietăți DAC,în care formarea valorilor de curent ponderate corespunzătoare greutăților de descărcare se realizează folosind matrici rezistive.

Pe lângă faptul că sunt utilizate în scopul propus, DAC-urile multiplicatoare sunt folosite ca multiplicatori analog-digitali, ca rezistențe și conductivități controlate de cod. Sunt utilizate pe scară largă ca elemente constitutive la construirea de amplificatoare controlate prin cod (reglabile), filtre, surse de tensiune de referință, conditionatoare de semnal etc.

Parametrii de bază și erorile DAC

Principalii parametri care pot fi văzuți în director:

1. Număr de biți – numărul de biți ai codului de intrare.

2. Coeficient de conversie - raportul dintre incrementul semnalului de ieșire și incrementul semnalului de intrare pentru funcție liniară transformări.

3. Timpul de stabilire a tensiunii sau curentului de ieșire - intervalul de timp din momentul modificării codului dat la intrarea DAC până în momentul în care tensiunea sau curentul de ieșire intră în cele din urmă în zona cu lățimea cifrei mai puțin semnificative ( MZR).

4. Frecvența maximă de conversie – cea mai mare frecvență a modificărilor codului la care parametrii specificați respectă standardele stabilite.

Există și alți parametri care caracterizează performanța DAC-ului și caracteristicile funcționării acestuia. Acestea includ: tensiunea de intrare de nivel scăzut și înalt, consumul de curent, tensiunea de ieșire sau domeniul de curent.

Cei mai importanți parametri pentru un DAC sunt cei care îi determină caracteristicile de precizie.

Caracteristicile de precizie ale fiecărui DAC , În primul rând, ele sunt determinate de erori normalizate ca mărime.

Erorile sunt împărțite în dinamice și statice. Erorile statice sunt erorile care rămân după finalizarea tuturor proceselor tranzitorii asociate cu modificarea codului de intrare. Erorile dinamice sunt determinate de procese tranzitorii la ieșirea DAC care apar ca urmare a unei modificări a codului de intrare.

Principalele tipuri de erori DAC statice:

Eroare absolută de conversie în punctul final scară – abaterea valorii tensiunii (curentului) de ieșire de la valoarea nominală corespunzătoare punctului final al scalei funcției de conversie. Măsurat în unitățile celei mai puțin semnificative cifre a conversiei.

Tensiune de offset zero de ieșire – tensiune DC la ieșirea DAC cu un cod de intrare corespunzător unei valori de tensiune de ieșire zero. Măsurat în unități de ordin mic. Eroare factor de conversie (scală) – asociată cu abaterea pantei funcției de conversie de la cea necesară.

Neliniaritatea DAC este abaterea funcției de conversie reală de la linia dreaptă specificată. Este cea mai gravă eroare greu de combatet.

Erorile de neliniaritate sunt în general împărțite în două tipuri - integrale și diferențiale.

Eroarea de neliniaritate integrală este abaterea maximă a caracteristicii reale de la cea ideală. De fapt, aceasta ia în considerare funcția de transformare medie. Această eroare este determinată ca procent din intervalul final al valorii de ieșire.

Neliniaritatea diferențială este asociată cu inexactitatea stabilirii greutăților descărcărilor, i.e. cu erori în elementele de divizare, împrăștiere a parametrilor reziduali elemente cheie, generatoare de curent etc.

Metode de identificare și corectare a erorilor DAC

Este de dorit ca corectarea erorilor să fie efectuată în timpul fabricării convertoarelor (ajustare tehnologică). Cu toate acestea, este adesea de dorit atunci când se utilizează un eșantion specific BISîntr-un dispozitiv sau altul. În acest caz, corectarea se realizează prin introducerea în structura dispozitivului, cu excepția LSI DAC elemente suplimentare. Astfel de metode se numesc structurale.

Cel mai proces complex este de a asigura liniaritatea, deoarece acestea sunt determinate de parametrii corelați ai multor elemente și noduri. Cel mai adesea, sunt ajustate doar offset-ul zero și coeficientul

Parametrii de acuratețe furnizați de metodele tehnologice se deteriorează atunci când convertorul este expus la diverși factori destabilizatori, în primul rând temperatura. De asemenea, este necesar să ne amintim despre factorul de îmbătrânire al elementelor.

Eroarea de compensare zero și eroarea de scară sunt ușor de corectat la ieșirea DAC. Pentru a face acest lucru, se introduce un offset constant în semnalul de ieșire, compensând decalajul caracteristicii convertorului. Scala de conversie necesară se stabilește fie prin ajustarea câștigului setat la ieșirea convertorului amplificatorului, fie prin ajustarea valorii tensiunii de referință dacă DAC-ul este unul multiplicator.

Metodele de corecție cu control de testare constau în identificarea erorilor DAC în întregul set de influențe de intrare permise și adăugarea de corecții calculate pe baza acestora la valoarea de intrare sau de ieșire pentru a compensa aceste erori.

Pentru orice metodă de corecție cu control folosind un semnal de testare, sunt prevăzute următoarele acțiuni:

1. Măsurarea caracteristicilor DAC pe un set de influențe de testare suficiente pentru a identifica erorile.

2. Identificarea erorilor prin calcularea abaterilor acestora de la rezultatele măsurătorilor.

3. Calculul modificărilor corective pentru valorile convertite sau efectele corective necesare asupra blocurilor corectate.

4. Efectuarea corectării.

Controlul poate fi efectuat o dată înainte de instalarea convertorului în dispozitiv folosind echipamente speciale de măsurare de laborator. De asemenea, poate fi efectuată folosind echipamente specializate încorporate în dispozitiv. În acest caz, monitorizarea, de regulă, se efectuează periodic, tot timpul în timp ce convertorul nu este direct implicat în funcționarea dispozitivului. O astfel de organizare a controlului și corecției convertoarelor poate fi efectuată atunci când funcționează ca parte a unui sistem de măsurare cu microprocesor.

Principalul dezavantaj al oricărei metode control de la capăt la capăt – mare vreme controlul împreună cu eterogenitatea și volumul mare de echipamente utilizate.

Valorile de corecție determinate într-un fel sau altul sunt stocate, de regulă, în formă digitală. Corectarea erorilor, ținând cont de aceste corecții, poate fi efectuată atât în ​​formă analogică, cât și digitală.

Cu corecția digitală, corecțiile sunt adăugate ținând cont de semnul lor la codul de intrare DAC. Ca rezultat, la intrarea DAC este primit un cod, care generează valoarea necesară a tensiunii sau a curentului la ieșire. Cea mai simplă implementare a acestei metode de corecție constă într-un reglabil DAC, la intrarea căreia este instalat un dispozitiv de stocare digitală ( memorie). Codul de intrare joacă rolul unui cod de adresă. ÎN memorie Adresele corespunzătoare conțin valori de cod precalculate, ținând cont de corecții, furnizate DAC-ului corectat.

Pentru corecția analogică, pe lângă DAC-ul principal, este utilizat un alt DAC suplimentar. Intervalul semnalului său de ieșire corespunde valorii maxime de eroare a DAC-ului corectat. Codul de intrare este furnizat simultan intrărilor DAC-ului corectat și intrărilor de adrese memorie amendamente Din memorie corecții, se selectează corecția corespunzătoare valorii date a codului de intrare. Codul de corecție este convertit într-un semnal proporțional cu acesta, care este însumat cu semnalul de ieșire al DAC-ului corectat. Datorită dimensiunii reduse a intervalului necesar al semnalului de ieșire al DAC-ului suplimentar în comparație cu domeniul semnalului de ieșire al DAC-ului corectat, erorile proprii ale primei sunt neglijate.

În unele cazuri, devine necesară corectarea dinamicii DAC.

Răspunsul tranzitoriu al DAC-ului va fi diferit atunci când se schimbă diferite combinații de coduri, cu alte cuvinte, timpul de stabilire a semnalului de ieșire va fi diferit. Prin urmare, atunci când utilizați un DAC, este necesar să luați în considerare timp maxim stabilimente. Cu toate acestea, în unele cazuri este posibil să se corecteze comportamentul caracteristicii de transfer.

Caracteristici ale utilizării LSI DAC

Pentru utilizarea cu succes a modernului BIS Nu este suficient ca DAC-urile să cunoască lista cu principalele lor caracteristici și circuitele de bază pentru includerea lor.

Impact semnificativ asupra rezultatelor aplicației BIS DAC-ul îndeplinește cerințele operaționale determinate de caracteristicile unui anumit cip. Astfel de cerințe includ nu numai utilizarea semnalelor de intrare permise, tensiunea surselor de alimentare, capacitatea și rezistența la sarcină, dar și ordinea pornirii diferitelor surse de alimentare, separarea circuitelor care conectează diferite surse de alimentare și magistrala comună, utilizarea filtrelor, etc.

Pentru DAC-uri de precizie sens special dobândește o tensiune de ieșire de zgomot. O caracteristică a problemei de zgomot într-un DAC este prezența supratensiunii la ieșire cauzate de comutarea întrerupătoarelor din interiorul convertorului. Amplitudinea acestor explozii poate atinge câteva zeci de greutăți MZRși creează dificultăți în funcționarea dispozitivelor de procesare a semnalului analogic după DAC. Soluția la problema suprimării unor astfel de explozii este utilizarea dispozitivelor de eșantionare și menținere la ieșirea DAC ( UVH). UVH controlat din partea digitală a sistemului, care generează noi combinații de coduri la intrarea DAC. Înainte de a trimite o nouă combinație de coduri UVH comută în modul de stocare, deschizând circuitul de transmisie a semnalului analogic la ieșire. Datorită acestui fapt, vârful tensiunii de ieșire DAC nu ajunge la ieșire UVH, care este apoi pus în modul de urmărire, repetând ieșirea DAC.

O atenție deosebită la construirea unui DAC bazat pe BIS Este necesar să se acorde atenție alegerii amplificatorului operațional care servește la transformarea curentului de ieșire DAC în tensiune. Când se aplică codul de intrare DAC la ieșire OU va fi o eroare DU, cauzată de tensiunea de polarizare și egală cu

,

Unde U cm– tensiune de polarizare OU; R os– valoarea rezistenței în circuitul de feedback OU; R m– rezistența matricei rezistive a DAC (rezistența de ieșire a DAC), în funcție de valoarea codului aplicat la intrarea acestuia.

Deoarece raportul variază de la 1 la 0, eroarea datorată U cm, schimbări în culoar (1...2)U cm. Influență U cm neglijat la utilizare OU, care .

Datorită suprafeței mari de tranzistori comută CMOS BIS capacitate semnificativă de ieșire a DAC-ului LSI (40...120 pF în funcție de valoarea codului de intrare). Această capacitate are un impact semnificativ asupra timpului de stabilire a tensiunii de ieșire. OU la precizia cerută. Pentru a reduce această influență R os ocolit cu un condensator Cu OS.

În unele cazuri, este necesar să se obțină o tensiune de ieșire bipolară la ieșirea DAC. Acest lucru poate fi realizat prin introducerea unei polarizări a intervalului de tensiune de ieșire la ieșire și pentru multiplicarea DAC-urilor prin comutarea polarității sursei de tensiune de referință.

Vă rugăm să rețineți că dacă utilizați un DAC integrat , având un număr mai mare de biți decât aveți nevoie, atunci intrările de biți neutilizați sunt conectate la magistrala de masă, determinând fără ambiguitate nivelul zero logic al acestora. Mai mult, pentru a lucra cu cea mai largă gamă posibilă a semnalului de ieșire al DAC-ului LSI, cifrele sunt luate ca astfel de cifre, începând cu cea mai puțin semnificativă.

Unul dintre exemplele practice de utilizare a DAC-urilor este conditionatoarele de semnal forme diferite. Am făcut un model mic în Proteus. Folosind un DAC controlat de MK (Atmega8, deși se poate face și pe Tiny), sunt generate semnale de diferite forme. Programul este scris în C în CVAVR. Prin apăsarea butonului, semnalul generat se modifică.

LSI DAC DAC0808 National Semiconductor, 8 biți, de mare viteză, activat conform schema standard. Deoarece ieșirea sa este curentă, este convertită în tensiune folosind un amplificator inversor folosind un amplificator operațional.

În principiu, poți avea chiar și cifre atât de interesante, îmi amintește de ceva, nu? Dacă alegeți o adâncime de biți mai mare, veți deveni mai neted

Bibliografie:
1. Bakhtiyarov G.D., Malinin V.V., Shkolin V.P. Convertoare analog-digitale/Ed. G.D. Bakhtiyarov - M.: Sov. radio. – 1980. – 278 p.: ill.
2. Proiectarea sistemelor cu microprocesoare de control analog-digital.
3. O.V. Şişov. - Saransk: Editura Mordov. Universitatea 1995. - p.

Mai jos puteți descărca proiectul de la



Vă recomandăm alte articole
Stoloto, loto rusesc – o înșelătorie?
Stoloto, loto rusesc – o înșelătorie?
Cum funcționează mineritul criptomonedei Procesul de extragere a criptomonedei
Cum funcționează mineritul criptomonedei Procesul de extragere a criptomonedei
Rezumatul unei lecții la grădiniță „Programatorul este un vrăjitor grozav”
Rezumatul unei lecții la grădiniță „Programatorul este un vrăjitor grozav”