Să începem de la început. Muzica digitală este o formă intermediară (ușor portabilă) între un original analog și o copie analogică. Un sistem de sunet ideal creează o copie la sfârșit care este identică cu originalul. Nu este încă 100% acolo, dar în ultimii 20 de ani ne-am apropiat din ce în ce mai mult de el. Cele mai importante două componente ale acestui proces sunt convertorul analog-digital (ADC) pentru studio și convertorul digital-analog (DAC) pentru studio. Să începem prin a ne uita la procesul ADC.

Sarcina unui ADC este de a măsura în mod repetat amplitudinea (intensitatea) unei unde sonore de presiune electrică de intrare (tensiune electrică) și de a scoate aceste măsurători ca o listă lungă de octeți binari. Astfel, o „imagine” matematică este creată din forma de undă. Nu vă faceți griji pentru biți și octeți. Pentru scopurile noastre, acestea sunt doar numere. Deci, înregistrăm acest semnal și încercăm să-l recreăm? Singura formă de undă din exemplul nostru este analogică sau copiată ca rezultat la toate frecvențele de la toate instrumentele care au apărut în aer în studio și s-au combinat în mod natural în aer și au ajuns la un punct de microfon într-o anumită ordine ca un sunet analogic în un mod natural, care a procesat în timpanul nostru pentru a-l auzi.

Acest număr nenumărat de frecvențe de la toate instrumentele și armonicile lor și recepționate din cameră (scena sonoră) reflexiile sunt combinate în mod natural în aer și în mod natural „codificate” ca un complex și este adevărul original despre muzica din acel moment încearcă să copieze cu exactitate. Acum despre esența digitală și portabilă
Frecvența de eșantionare a fost determinată și ADC-ul și-a făcut treaba, iar datele sunt acum pur și simplu compilate într-un fișier mare de numere, cu toate acestea, acestea pot fi modificate în nenumărate formate și transferate, copiate în întreaga lume și, în sfârșit, prezentate în camera dvs. de ascultare. , pentru DAC-ul dvs. Bitul va fi perfect dacă se menține integritatea fișierului, adică. aceleași valori numerice care au fost create în ADC - prezentate DAC-ului dvs. Dacă da, atunci datele vor fi perfecte. Redare DAC Un DAC citește date digitale dintr-un fișier și încearcă să recreeze o copie a semnalului analogic original care a fost înregistrat odată.

Tipuri de DAC și modul în care funcționează Un DAC este un circuit care convertește datele digitale într-un echivalent electric analog continuu al sunetului pentru a fi reprodus pe echipamente sau căști de înaltă calitate. Amplitudinea este un număr digital care apare pe baza ratei de eșantionare (de exemplu, de 44.100 de ori pe secundă). Acest proces este foarte asemănător cu o bandă transportoare fără sfârșit cu ulcioare goale pe ea care se deplasează printr-o benzinărie. Mărimea ulciorului este fixă, iar viteza cu care trec este determinată de rata de eșantionare. Scopul este de a umple fiecare ulcior exact la nivelul indicat în muzică. Există trei tehnici folosite pentru a atinge acest obiectiv; Delta Sigma, Ladder și MSB Sign Magnitude Ladder. Delta Sigma DAC (un bit) Fiecare probă sau ulcior este umplut la nivelul corect cu multe pahare de măsurare pentru a turna și a ajunge la țintă.
„One bit” este o ceașcă de măsurare care este fie plină, fie goală. Cu o supraeșantionare de 64 de ori, ceașca are doar 1/64 din volumul ulciorului. Aceasta este o ceașcă destul de proastă și nu se apropie de a fi suficient de precisă. Cupa ar trebui să fie 1/16.777.216 din volumul ulciorului să fie . Filtrarea este importantă aici.

Scara DAC

Ladder DAC este diferit prin faptul că, în loc de o singură ceașcă de măsurare (sau bit), sunt disponibile o gamă de căni, de la foarte mici la foarte mari. Orice combinație de cești poate fi folosită pentru a umple fiecare ulcior exact. Nu este necesară filtrarea, dar precizia este determinată de incertitudinea combinată a tuturor cupelor utilizate.

Scara de mărime a semnului DAC MSB

MSB Sign Magnitude Ladder DAC este ca un Ladder DAC, rafinat și procesat în două moduri. Deoarece ceștile sunt de obicei 1/2 pline când sunt terminate și începeți cu 1/2 cești pline foarte precise în loc de goale. De acolo folosim din nou o gamă largă de căni de măsurare adăugând sau scăzând din fiecare ceașcă.
Deoarece fiecare vas este umplut cu precizie, filtrarea nu este necesară. Deoarece auzul nostru este cel mai sensibil la sunetul de nivel scăzut, DAC-ul nostru este cel mai precis în jur de 1/2 plin acolo unde folosim cele mai mici și mai precise măsurători ale cupei. Dar reeșantionarea? Eșantionarea sincronă MSB înseamnă pur și simplu adăugarea unei alte bănci între băncile existente și mutarea lor mai rapidă pe linie. Privind multe conserve înainte și după altele noi goale, se consideră pline. Un ultim cuvânt despre DAC-uri Metoda originală a Sony și Philips este de a converti informațiile digitale ale unui DAC Ladder prin adăugarea de rezistențe care, atunci când sunt conectate, arată ca o scară (de unde și numele). Dar acest lucru a fost foarte dificil de construit pentru Philips, deoarece a fost dificil să obțină rezistențele suficient de precise, deoarece DAC-ul 1541 era inexact. Dar totuși, a sunat mai bine decât următoarea generație Delta Sigma DAC. DAC-ul Ladder este atractiv din punct de vedere tehnic pentru că este ca un proces pasiv (fără procesare de nici un fel, da, mă cunosc, conversia este un proces), ceea ce înseamnă că nu există eșantionare activă și procesare medie, doar simple rezistențe care nu au Limită de viteză. MSB Ladder este cea mai precisă. Rezistorul este mai rapid - mai mult de 5 MHz. Are un nivel de zgomot de 160 dB. Și acestea sunt mult mai precise și cele mai de înaltă precizie DAC-uri din lumea modernă.

Convertoare digital-analogice (DAC) — conceput pentru a converti semnalele digitale în analogice. O astfel de conversie este necesară, de exemplu, la restaurarea unui semnal analogic care a fost convertit anterior în digital pentru transmisie sau stocare pe distanțe lungi (un astfel de semnal, în special, poate fi sunet). Un alt exemplu de utilizare a unei astfel de conversii este obținerea unui semnal de control atunci când se controlează digital dispozitivele al căror mod de funcționare este determinat direct de un semnal analogic (care, în special, apare la controlul motoarelor).

(xtypo_quote)Principalii parametri ai DAC includ rezoluția, timpul de stabilire, eroarea de neliniaritate etc.(/xtypo_quote)

Rezoluția este reciproca numărului maxim de trepte de cuantizare a semnalului analogic de ieșire. Timpul de stabilire t setat este intervalul de timp de la aplicarea codului la intrare până la momentul în care semnalul de ieșire intră în limitele specificate determinate de eroare. Eroarea de neliniaritate este abaterea maximă a graficului dependenței tensiunii de ieșire de tensiunea specificată de semnalul digital în raport cu linia dreaptă ideală pe întregul interval de conversie.

Ca și cele luate în considerare, DAC-urile sunt o „legătură” între electronica analogică și cea digitală. Există diverse principii pentru construirea unui ADC.

Circuit DAC cu însumarea curenților de greutate

În fig. Figura 3.88 prezintă un circuit DAC cu însumarea curenților de greutate.

Cheia S 5 este închisă numai când toate cheile S 1 ... S 4 sunt deschise (în acest caz u out = 0). U 0

— tensiune de referință. Fiecare rezistor din circuitul de intrare corespunde unui anumit bit al unui număr binar.

În esență, acest DAC este un amplificator inversor bazat pe un amplificator operațional. Analiza unei astfel de scheme nu este dificilă. Deci, dacă o cheie este închisă

S1, atunci u out = −U 0 R oc / R

care corespunde primei și zerourilor din cifrele rămase.

Din analiza circuitului rezultă că modulul tensiunii de ieșire este proporțional cu numărul, al cărui cod binar este determinat de starea tastelor S 1 ... S 4. Curenții tastelor S 1 ... S 4 sunt însumați la punctul „a”, iar curenții diferitelor chei sunt diferiți (au „greutăți” diferite). Aceasta determină numele schemei.

Din cele de mai sus rezultă că u out = − (U 0 Roc / R) S 1 − (U 0 Roc / (R/2)) S 2 - − (U 0 Roc / (R/4)) · S 3 − (U 0 R oc / (R/8)) · S 4 = = − (U 0 Roc / R) · (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)

unde S i ,i = 1, 2, 3, 4 ia valoarea 1 dacă cheia corespunzătoare este închisă și 0 dacă cheia este deschisă.

Starea tastelor este determinată de codul convertit de intrare. Circuitul este simplu, dar are dezavantaje: modificări semnificative ale tensiunii între comutatoare și utilizarea unor rezistențe cu rezistențe foarte diferite. Este dificil să se asigure precizia necesară acestor rezistențe.

DAC bazat pe matrice rezistivă R - 2R

Să considerăm un DAC bazat pe o matrice rezistivă R - 2R (matrice de rezistență constantă) (Fig. 3.89).

Circuitul folosește așa-numitele comutatoare S 1 ... S 4 , fiecare dintre acestea fiind conectat la un punct comun într-una dintre stări, astfel încât tensiunile de pe taste sunt scăzute. Cheia S 5 este închisă numai atunci când toate cheile S 1 ... S 4 sunt conectate la un punct comun. Circuitul de intrare folosește rezistențe cu doar două valori diferite de rezistență.

Din analiza circuitului, puteți vedea că pentru acesta, modulul tensiunii de ieșire este proporțional cu numărul, al cărui cod binar este determinat de starea tastelor S 1 ... S 4. Analiza este ușor de efectuat având în vedere următoarele. Fie ca fiecare dintre cheile S 1 ... S 4 să fie conectată la un punct comun. Apoi, după cum este ușor de observat, tensiunea relativă la punctul comun în fiecare punct următor „a” ... „d” este de 2 ori mai mare decât la punctul anterior. De exemplu, tensiunea în punctul „b” este de 2 ori mai mare decât în ​​punctul „a” (tensiunile U a, U b, U c și U d în aceste puncte sunt determinate după cum urmează:

Să presupunem că starea cheilor specificate s-a schimbat. Apoi, tensiunile din punctele „a” ... „d” nu se vor schimba, deoarece tensiunea dintre intrările amplificatorului operațional este practic zero.

Din cele de mai sus rezultă că:

u out = − (U 0 Roc / 2R) S 4 − ((U 0 /2) Roc / 2R) S 3 - ((U 0 /4) Roc / 2R) S 2 − (( U 0 / 8) Roc / 2R) S 1 = − (U 0 Roc / 16R) (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)

unde S i , i = 1, 2, 3, 4 ia valoarea 1 dacă cheia corespunzătoare este închisă și 0 dacă cheia este deschisă.

DAC pentru conversia BCD

Să considerăm un DAC pentru conversia numerelor binare-zecimale (Fig. 3.90).

O matrice separată R - 2R (indicată prin dreptunghiuri) este utilizată pentru a reprezenta fiecare zecimală. Z 0 …Z 3 indică numerele determinate de starea cheilor fiecărei matrice R − 2R. Principiul de funcționare devine clar dacă luăm în considerare că rezistența fiecărei matrice este R și dacă analizăm fragmentul circuitului prezentat în Fig. 3,91. Din analiză rezultă că

U 2 = U 1 [ (R||9R) / (8.1R + R||9R) ]

R||9R = (R9R)/(R + 9R) = 0,9R

Prin urmare, U 2 = 0,1 U 1. Ținând cont de asta, obținem

u out = − (U 0 R oc / 16R) 10 −3 (10 3 Z 3 + 10 2 Z 2 + 10 Z 1 + Z 0)

Cele mai comune sunt DAC-urile din seriile de cipuri 572, 594, 1108, 1118 etc. Tabel. 3.2 sunt date...

Parametrii unor DAC-uri

Un convertor digital-analogic (DAC) este proiectat pentru a converti (decodifica) automat cantitățile de intrare reprezentate prin coduri numerice în valorile corespunzătoare ale cantităților care variază continuu în timp (adică, analogice). Cu alte cuvinte, DAC-ul efectuează conversia opusă comparativ cu ADC. Mărimile fizice de ieșire ale ADC reprezintă cel mai adesea tensiuni și curenți electrici, dar pot fi și intervale de timp, mișcări unghiulare etc. Într-un sistem de automatizare cu un computer, este mai convenabil să procesezi (conversia și transmiterea) un semnal digital, dar este mai familiar și mai convenabil pentru o persoană (operator) să perceapă semnale analogice corespunzătoare valorilor codurilor numerice. Cu ajutorul unui ADC, informațiile sunt introduse într-un computer, iar cu ajutorul unui DAC, sunt scoase de la computer pentru a influența obiectul controlat și a fi percepute de o persoană.

Circuitele DAC folosesc de obicei o reprezentare a unui număr binar format din mai multe cifre ca o sumă de puteri de 2. Fiecare cifră (dacă conține un 1) este convertită într-un semnal analogic proporțional cu numărul 2 cu o putere egală cu numărul cifrei. redus cu unu.

În fig. Figura 4.38 prezintă un circuit DAC simplu, a cărui bază este o matrice rezistivă - un set de rezistențe care sunt conectate la intrarea amplificatorului operațional prin comutatoare controlate de biții corespunzători unui număr binar. Triodele (de exemplu, tranzistoarele MOS) pot fi folosite ca comutatoare. Dacă în acest bit este scris un 1, atunci cheia este închisă, dacă este 0, cheia este deschisă.

Necesitatea utilizării unui amplificator operațional se datorează faptului că semnalul de ieșire din DAC este analog. Atât semnalele de intrare, cât și de ieșire ale amplificatorului operațional sunt tensiuni DC (în sensul polarității constante).

Câștigul amplificatorului operațional este egal cu raportul rezistenței rezistenței R os în circuitul de feedback la rezistența rezistorului de la intrarea amplificatorului, care, după cum se poate vedea din Fig. 4.38, fiecare cifră are propriul său sens. Coeficienți de transfer K =- U afară / U op pentru fiecare bit al numărului binar convertit (dacă 1 este scris în acest bit) sunt, respectiv, egale cu: K 0 =R o.s/ R 0 ;K 1 = 2R o.s/ R 0 ;K 2 = 4R o.s/ R 0 ;
K 3 = 8R o.s/ R 0 . Tensiune de ieșire DAC

U afară = - U op ( K 3 +K 2 +K 1 + K 0) =

= - U op ( R o.s/ R 0)(8X 3 + 4X 2 + 2X 1 + X 0),

Unde X ia valoarea 1 sau 0 in functie de ceea ce este scris intr-un bit dat al numarului binar.

Orez. 4,38. Circuit digital-analogic
convertor bazat pe o matrice rezistivă

Astfel, un număr binar de patru cifre este convertit într-o tensiune U out, care poate lua 16 valori posibile de la 0 la 15D u kv, unde D u kv - pas de cuantizare.

Pentru a reduce eroarea de cuantizare, este necesar să creșteți numărul de biți binari ai DAC. Atunci când se produc circuite integrate DAC folosind această schemă, este foarte dificil să se realizeze rezistențe de înaltă precizie cu rezistențe care diferă unele de altele de zeci sau sute de ori. În plus, sarcina tensiunii de referință U op se modifică în funcție de starea tastelor, așa că este necesar să folosiți o sursă cu rezistență internă scăzută.

Circuitul DAC prezentat în fig. 4.39, este lipsită de dezavantajele indicate. În ea, coeficienții de ponderare ai fiecărei cifre sunt stabiliți prin împărțirea secvențială a tensiunii de referință folosind o matrice rezistivă de tip R- 2R, care este un divizor de tensiune multi-link.

Acest circuit DAC folosește comutatoare cu două poziții care conectează rezistențele 2 R fie la intrarea amplificatorului operațional (cu 1 în acest bit), fie la firul neutru comun. Rezistența de intrare a matricei rezistive nu depinde de poziția tastelor. Coeficientul de transmisie între nodurile matricei adiacente este 0,5. Tensiune de ieșire

U afară = - U op ( R/16R)(X 1 + 2X 2 + 4X 3 + 8X 4).

Orez. 4.39. Circuit convertor digital-analogic
bazată pe matrice rezistivă R-2R

Cea mai mare influență asupra erorii DAC este exercitată de abaterile rezistențelor rezistențelor de la valorile lor nominale, precum și de faptul că într-un comutator real rezistența în stare închisă nu este egală cu infinit, iar în stare deschisă nu este egal cu zero. Matricele rezistive fabricate au o eroare relativă de aproximativ sutimi de procent, adică sunt foarte precise.

4.5.2. Convertoare analog-digitale cu codare paralelă

Un convertor analog-digital (ADC) este proiectat pentru a converti automat (măsură și codifică) cantități care variază continuu în timp (adică, analogice) în valori de cod numeric corespunzătoare. În acest caz, cuvântul „cifră” înseamnă cod binar. Când vorbim de echipamente digitale de înregistrare și reproducere a sunetului sau de telefonie digitală, ne referim la faptul că un semnal sonor în continuă schimbare este înregistrat sau transmis digitizat, adică. sub formă de coduri binare (binare).

În funcție de metoda de conversie, ADC-urile sunt împărțite în serie, paralele și serie-paralel.

ADC-urile cu cea mai rapidă acțiune sunt de tip paralel. Ele convertesc un semnal analogic în cod într-un singur pas, dar astfel de ADC-uri necesită mai multe comparatoare. Tensiunea de intrare este comparată simultan în toate comparatoarele cu tensiuni de referință multiple. ADC-urile paralele au un număr mai mare de elemente decât cele seriale.

Să luăm în considerare funcționarea unui paralel pe trei biți
ADC (Fig. 4.40).

Orez. 4.40. Circuit paralel ADC pe trei biți

Trei cifre binare pot reprezenta opt numere - de la 0 la 7. Prin urmare, șapte comparatoare sunt utilizate pentru a compara tensiunea de intrare cu tensiunile de referință obținute folosind un divizor de rezistență. Fiecare comparator trimite un semnal 0 dacă tensiunea de intrare este mai mică decât tensiunea de referință și un semnal 1 în caz contrar.

Stările comparatorilor și codurile binare corespunzătoare sunt prezentate în tabel. 4.12. Convertorul de cod produce un număr binar din trei cifre. Timpul de conversie al ADC-urilor paralele poate fi de câteva zeci de nanosecunde, ceea ce este de sute de ori mai rapid decât ADC-urile în serie.

Tabelul 4.12

Dependența codului digital de tensiunea de intrare

Valoarea relativă a tensiunii de intrare U=U intrare /U op	Starea comparatorului	Număr de cod binar
U< 0,5
0,5 GBP U< 1,5
1,5 GBP U< 2 ,5
2,5 GBP U < 3,5
3,5 GBP U< 4,5
4,5 GBP U< 5 ,5
5,5 GBP U<6 ,5
6,5 GBP U

4.5.3. Convertoare seriale A/D

În fig. Figura 4.41 prezintă un circuit ADC de tip serial.

Orez. 4.41. Circuit analog-digital
convertor serial

La comanda „Start”, mașina digitală public țintă generează o secvență de numere binare care sunt alimentate la intrarea unui convertor digital-analogic DAC care generează tensiune U DAC corespunzător fiecărui semnal binar de intrare. Această tensiune (creștere continuă în timpul lucrului) public țintă) este alimentat la una dintre intrările comparatorului K, a cărei cealaltă intrare primește tensiunea de intrare U de intrare Comparatorul compară aceste două tensiuni și produce un semnal atunci când sunt egale. Prin acest semnal public țintă se oprește și un cod binar corespunzător U Astfel, conversia într-un ADC serial are loc într-un mod pas. Valoarea de ieșire este în pași (cicluri) separati, de ex. se apropie constant de valoarea măsurată. Prin urmare, ADC-urile seriale petrec mult timp pentru fiecare conversie a semnalului analogic. Pentru a le crește performanța, se folosește metoda de echilibrare pe biți. O diagramă care ilustrează această metodă este prezentată în Fig. 4.42.

Orez. 4.42. Circuit convertor analog-digital
cu echilibrare bit cu bit

Rolul unei mașini digitale este îndeplinit de un registru Rg cu senzor de puls de ceas DTI. Codul de ieșire este citit pe baza semnalului din circuitul de pregătire a datelor SRS, care este furnizat atunci când sosește un semnal de la comparator K tensiune de intrare aproximativ egală U intrare și tensiune U DAC Funcționarea comparatorului este sincronizată prin impulsuri DTI.Aceleaşi impulsuri transferă secvenţial biţii de registru Rg la starea 1. Transferul începe de la bitul cel mai semnificativ, iar cei mai puțin semnificativi rămân în starea 0. În acest caz, DAC-ul produce tensiunea corespunzătoare, care este comparată în comparator K cu intrare. Dacă U DAC > U intrare, apoi la comanda comparatorului, bitul cel mai semnificativ este resetat la starea 0; Dacă U DAC< Hm, atunci bitul cel mai semnificativ rămâne 1. Apoi următorul bit cel mai înalt este transferat în starea 1 Rg iar tensiunile sunt comparate din nou U DAC și U de intrare Ciclul se repetă până când se înregistrează egalitatea tensiunilor indicate când una dintre cifrele de ordin inferior este transferată în starea 1. După care SRS dă un semnal pentru emiterea unui cod de ieșire. Numărul de cicluri de comparație într-un astfel de ADC va fi egal cu numărul de biți ai codului de ieșire.

4.6. Rețele logice programabile și circuite integrate

Organizarea ROM-urilor și a matricelor logice programabile (PLM) are multe în comun. Să identificăm abordarea generală a construirii acestor scheme folosind un exemplu.

Să presupunem că este necesar să construim un dispozitiv care să furnizeze un semnal de ieșire Y1 când codurile 000, 001 sunt primite la intrare; la iesire Y2 cu codurile 010, 100, 110; la iesire Y3 cu codurile 011, 101, 110, 111. Codurile furnizate la intrarea dispozitivului pot fi considerate coduri de adresă ale celulelor ROM de un singur bit, din care unitățile citite prin elementul SAU sunt furnizate la una dintre ieșiri Y eu. Să luăm în considerare relația dintre adrese și date - funcții
(Tabelul 4.13).

În fig. 4,43, A este prezentat un circuit ROM, constând dintr-un decodor de adrese pe elemente logice și elemente de stocare sub formă de circuite rezistive la diode, ale căror circuite includ jumperi. Variabile X3, X2, X1 sunt considerate coduri de adresă ale diferitelor celule de memorie. De la masă Figura 4.13 arată că în decodor, la anumite adrese, sunt excitate magistralele de ieșire corespunzătoare, care trebuie combinate la una dintre ieșirile circuitului: Y1, Y2, Y3. SAU elemente cu care sunt generate semnalele Y eu, reprezintă un codificator incomplet.

Tabelul 4.13

Tabelul de adevăr al decodorului

Abordare	Intrări	Ieșiri
	X3	X2	XI	Y1	Y2	Y3
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7

În fig. 4,43, b Același circuit ROM este prezentat sub forma a două matrice. Matrice A1 este un decodor liniar complet cu opt ieșiri. Fiecare linie verticală în A1 corespunde unui element AND cu trei intrări, fiecare dintre ele implementând una dintre combinațiile de variabile de intrare X3, X2, X1. Matrice A2 este un codificator incomplet.

Orez. 4.43. Matricea ROM ca bază a PLM

Fiecare linie orizontală în A2 corespunde unei porți SAU cu opt intrări. Formarea semnalelor necesare la fiecare dintre intrările sale este indicată de punctul de la intersecția liniei verticale a matricei A1și linia matriceală orizontală A2.

Diagramele prezentate în Fig. 4.43 poate fi implementat sub forma unui circuit combinațional pe un PLM (Fig. 4.44).

Orez. 4.44. Circuit combinat pe PLM

Comparând două circuite care îndeplinesc aceleași funcții (vezi Fig. 4.43, b si 4.44), vedem ca circuitul implementat sub forma unui PLM este mai simplu. Matrice A1în ROM este un decodor complet, greu programat în matricea PLM este minterm programabil pentru funcții. Costurile echipamentelor sunt de obicei determinate de suprafața chipului semiconductor ocupată de circuit. Astfel, circuitele realizate pe PLM asigură un grad mai mare de integrare și extind astfel funcționalitatea microcircuitului.

CAPITOLUL 5.
INSTRUMENTE DE CALCUL PENTRU PRELUCRAREA INFORMAȚIILOR ÎN SISTEME DE AUTOMATIZARE

5.1. Microprocesoare în sistemele de automatizare textile

Microcircuitele digitale au atins acum performanțe ridicate cu un consum de curent acceptabil. Cele mai rapide microcircuite digitale au viteze de comutare de ordinul 3 - 5 ns. În aceste microcircuite, consumul de curent este direct proporțional cu viteza de comutare a porților logice din microcircuit.

Un alt motiv pentru utilizarea pe scară largă a microprocesoarelor este că un microprocesor este un cip universal care poate îndeplini aproape orice funcție. Universalitatea asigură o cerere largă pentru aceste microcircuite, ceea ce înseamnă producție în masă. Costul microcircuitelor este invers proporțional cu producția în masă a acestora, adică microprocesoarele devin microcircuite ieftine și, prin urmare, cresc și mai mult cererea.

În cea mai mare măsură, toate proprietățile de mai sus se manifestă în microcalculatoarele cu un singur cip sau, așa cum sunt denumite mai des prin domeniul lor de aplicare: microcontrolere. Microcontrolerele combină toate componentele unui computer pe un singur cip: un microprocesor (numit adesea nucleul microcontrolerului), RAM, ROM, temporizatoare și porturi I/O.

Odată cu trecerea la automatizarea complexă a tehnologiilor de producție textilă și apariția mijloacelor pentru implementarea acesteia sub formă de subsisteme specializate de control cu ​​microprocesor (MPCS), a apărut întrebarea cu privire la reglementarea multi-legată a unui număr de parametri. Aceasta a necesitat rezolvarea problemelor de identificare a proceselor tehnologice, interrelaţionarea şi controlabilitatea acestora în funcţie de parametrii propuşi de tehnologi astfel cum sunt reglementaţi. Cu ajutorul MPSU, următoarele sarcini principale pot fi rezolvate în automatizarea complexă a producției textile.

1. Informare și măsurare, asigurând colectarea de informații extinse; imunitate la zgomot; prelucrarea necesară a datelor statistice, corectarea software-ului a erorilor de măsurare, diagnosticarea automată și autocalibrarea sistemului de măsurare. În același timp, logica de funcționare programabilă a MPSU oferă flexibilitate în reconfigurare și vă permite să extindeți funcțiile sistemului în timpul modernizării fără modificări semnificative ale circuitului.

2. Reglarea parametrilor tehnologici și a modurilor de funcționare a echipamentelor, permițând menținerea parametrilor reglementați de tehnologi la o valoare dată sau modificarea acestora pentru a îndeplini condițiile de optimizare în sistemele de control multiconectat, viteza de timp, energie și indicatori de calitate. În orice caz, calitatea reglementării este determinată de fiabilitatea măsurătorilor și a informațiilor primite.

3. Controlul modurilor de funcționare a echipamentelor tehnologice și robotice, implementate în principal sub formă de operatori auto sau automanipulatori care efectuează operațiuni, de exemplu, încărcarea și descărcarea baloturilor de fibre, role de urzeală și grinzi de țesut, îndepărtarea și instalarea bobinelor pe niște și mașini de filat , umplerea stațiilor de filare cu cartușe, împletirea și înnodarea cu bandă etc.

Coordonarea funcționării tuturor controalelor echipamentelor de proces, inclusiv reglarea fluxurilor de semnal în timp și spațiu și procesarea acestora, este efectuată de un dispozitiv de control central. Dispozitivele moderne de control central sunt electronice și sunt împărțite în universale folosind microcalculatoare și specializate care utilizează microcontrolere, microprocesoare și circuite logice.

Utilizarea principiului controlului programului în sistemele automate de control și colectarea de date privind starea sistemelor în combinație cu microprocesoarele a crescut semnificativ funcționalitatea acestora, a oferit o mai mare flexibilitate, costuri și dimensiuni reduse, fiabilitate crescută, rezistență la condiții de mediu nefavorabile și alte operațiuni. caracteristici.

Microprocesoarele și microcontrolerele bazate pe acestea sunt utilizate pe scară largă în instrumentele și sistemele digitale de măsurare, ceea ce simplifică intrarea și ieșirea datelor, semnalelor de avertizare sau comenzilor pe afișaj, precum și scalarea automată a acestor parametri. Microprocesoarele pot oferi auto-testare și autocalibrare, verificarea consistenței datelor, comunicarea cu un microcomputer sau instrumente controlate de computer și media automată a citirilor. Cu toate acestea, microprocesoarele și microcontrolerele bazate pe acestea au un volum mai mic de software standard, o gamă de dispozitive periferice și capacități de interfață decât microcalculatoarele.

Microprocesoarele și-au găsit aplicații și în terminale, rețele de microcalculatoare, module de comutare a mesajelor, repetoare, sisteme de stocare a transmisiei de date, dispozitive de codificare și decodare, sisteme portabile de comunicații, sisteme de securitate și modemuri.

Microprocesoarele sunt utilizate în unitățile de sistem de microcalculatoare, controlerele de intrare/ieșire și alte dispozitive periferice. Microcontrolerele din dispozitivele periferice permit realizarea multor sarcini pe periferic, eliberând CPU-ul pentru a efectua alte sarcini.

Microprocesoarele, microcontrolerele și microcalculatoarele sunt utilizate în echipamentele textile: în sistemele de control al datelor, instalațiile de control al calității, sistemele automate de cântărire și dozare, controlul unităților/mașinilor, determinarea gradului de ondulare, controlere care controlează operațiunile individuale, de exemplu, tensiunea fire, benzi, țesături etc., dispozitive de sortare, dispozitive de încărcare și descărcare, terminale și dispozitive de diagnosticare automată.

Trebuie remarcat faptul că la controlul procesoarelor tehnologice din industria textilă, un număr relativ mare de parametri ajustabili și complexitatea algoritmilor de control necesită utilizarea de microcalculatoare puternice. Microprocesoarele sunt utilizate în sistemele distribuite în care sunt implementați algoritmi de gestionare a obiectelor la fața locului și datele sunt pregătite pentru microcalculatoare, ceea ce crește fiabilitatea sistemelor în condiții de interferență industrială.

În cele mai recente modele de microprocesoare, sistemul de operare este implementat integral sau parțial în hardware bazat pe memorie flash, ceea ce optimizează procesul de gestionare a instalațiilor industriale.

Ministerul Educației și Științei din Ucraina

Academia Națională Maritimă din Odesa

Departamentul de Electronică Marină

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

„Convertoare digital-analogic”

Efectuat:

set de FEM și RE

grupuri 3131

Strukov S.M.

Verificat: art. profesor

Kudelkin I.N.

Odesa – 2007

1. Introducere

2. Informații generale

3. DAC-uri seriale

4. DAC-uri paralele

5. Aplicarea DAC

6. Parametrii DAC

7. Lista referințelor

INTRODUCERE

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

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

Informații generale

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

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

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

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

o După viteză: viteză moderată și mare.

Orez. 1. Clasificare DAC

DAC-uri în serie

DAC cu modulare a lățimii impulsului

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

Orez. 1. DAC cu modulație de lățime a impulsului

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

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

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

DAC condensator comutat în serie

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

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

U 1 (0)=U afară (0)=( d 0 /2)U op

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

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

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

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

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. Greutatea celei de-a patra cifre, cea mai semnificativă (MSD) va fi 2 3 =8, a treia cifră - 2 2 =4, a doua - 2 1 =2 și cea mai puțin semnificativă (LSB) - 2 0 =1. Dacă greutatea SZR I MZR = 1 mA, atunci I SZR = 8 mA, iar curentul maxim de ieșire al convertorului I out.max = 15 mA și corespunde codului 1111 2. Este clar că codul 1001 2, de exemplu, va corespunde cu I out = 9 mA etc. În consecință, este necesară construirea unui circuit care să asigure generarea și comutarea curenților precisi de cântărire conform legilor date. Cel mai simplu circuit care implementează acest principiu este prezentat în Fig. 3.

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

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

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

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

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

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

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

Permisiune

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

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

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

Interval de intrare = 0 până la 10 volți

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

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

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

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

Interval de intrare = -10 până la +10 volți

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

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

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

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

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

Tipuri de conversie

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

Căutare directă secvenţială

Aproximare succesivă

Serial cu modulație sigma-delta

O singură etapă paralelă

Paralel în două sau mai multe trepte (conveior)

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

Precizie

Există mai multe surse de eroare ADC. Erorile de cuantizare și (presupunând că ADC-ul trebuie să fie liniar) neliniaritățile sunt inerente în orice conversie analog-digitală. În plus, există așa-numitele erori de deschidere care sunt o consecință a 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 de obicei au o rezoluție de cel mult 8 biți, deoarece implică costuri hardware mari (comparatoare). ADC-urile de acest tip au o dimensiune foarte mare a cipului, o capacitate mare de intrare și pot produce erori pe termen scurt la ieșire. Folosite adesea pentru semnale video sau alte semnale de înaltă frecvență, acestea sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă în industrie pentru a monitoriza procesele care se schimbă rapid în timp real.

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

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

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

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

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

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

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

ADC-uri comerciale

De regulă, ele sunt produse sub formă de microcircuite.

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

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

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

Alte aplicații

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Aplicație

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

Tipuri DAC

Cele mai comune tipuri de DAC-uri electronice sunt:

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

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

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

Caracteristici

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

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

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

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

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

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

Caracteristici statice:

DNL (diferenţial nonlinearity) - caracterizează cât de mult diferă incrementul semnalului analogic obţinut prin creşterea codului cu 1 bit cel mai puţin 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