Wyjaśnienie przetworników cyfrowo-analogowych (DAC), analogowo-cyfrowych (ADC)

DO przetwornik cyfrowo-analogowy ( Dacki , D / A , D2A lub D-to-A ) to obwód przeznaczony do konwersji cyfrowego sygnału wejściowego na analogowy sygnał wyjściowy. Przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) działa w odwrotny sposób i przekształca analogowy sygnał wejściowy na wyjście cyfrowe.

W tym artykule szczegółowo omówimy, jak działają obwody przetworników cyfrowo-analogowych i analogowo-cyfrowych, korzystając z diagramów i wzorów.

W elektronice możemy znaleźć napięcia i prądy zmieniające się w sposób ciągły z różnymi zakresami i wielkościami.

W obwodach cyfrowych sygnał napięciowy występuje w dwóch postaciach, jako logiczny wysoki lub logiczny niski poziom logiczny, który reprezentuje wartości binarne 1 lub 0.

W przetwornikach analogowo-cyfrowych (ADC) wejściowy sygnał analogowy jest reprezentowany jako wartość cyfrowa, podczas gdy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) przekształca wartość cyfrową z powrotem na sygnał analogowy.

Jak działają przetworniki cyfrowo-analogowe

Proces konwersji sygnału cyfrowego na analogowy można przeprowadzić wieloma różnymi technikami.

Jedna z dobrze znanych metod wykorzystuje sieć rezystorów, zwaną siecią drabinkową.

Sieć drabinkowa jest zaprojektowana tak, aby akceptować wejścia zawierające wartości binarne, zwykle 0 V lub Vref i dostarcza napięcie wyjściowe równoważne wielkości wejścia binarnego.

Poniższy rysunek przedstawia sieć drabinkową wykorzystującą 4 napięcia wejściowe, które reprezentują 4 bity danych cyfrowych i wyjście napięcia stałego.

Napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do cyfrowej wartości wejściowej wyrażonej równaniem:

Rozwiązując powyższy przykład otrzymujemy następujące napięcie wyjściowe:

Jak widzimy, wejście cyfrowe o wartości 0110_dwajest konwertowany na wyjście analogowe 6 V.

Celem sieci drabinkowej jest zmiana 16 potencjalnych wielkości binarnych
przez 0000 do 1111 na jedną z 16 wielkości napięcia w odstępach V_ref/ 16.

Dlatego może być możliwe przetworzenie większej liczby wejść binarnych przez uwzględnienie większej liczby jednostek drabinkowych i osiągnięcie wyższej kwantyzacji dla każdego kroku.

To znaczy, załóżmy, że jeśli użyjemy 10-stopniowej sieci drabinkowej, pozwoli nam zwiększyć wielkość kroku napięcia lub rozdzielczość do V_ref/dwa¹⁰lub V_ref/ 1024. W tym przypadku, gdybyśmy zastosowali napięcie odniesienia V._ref= 10 V generuje napięcie wyjściowe w krokach co 10 V / 1024 lub przy około 10 mV.

Zatem dodanie większej liczby stopni drabinkowych da nam proporcjonalnie wyższą rozdzielczość.

Zwykle dla n liczbę stopni drabiny, można to przedstawić za pomocą następującego wzoru:

V_ref/ dwaⁿ

Schemat blokowy DAC

Poniższy rysunek przedstawia schemat blokowy standardowego przetwornika cyfrowo-analogowego wykorzystującego sieć drabinkową, określaną jako drabina R-2R. Można to zobaczyć zablokowane między referencyjnym źródłem prądu a przełącznikami prądu.

Przełączniki prądowe są połączone z przełącznikami binarnymi, wytwarzając prąd wyjściowy proporcjonalny do wejściowej wartości binarnej.

Wejścia binarne przełączają odpowiednie nogi drabiny, umożliwiając prąd wyjściowy będący ważoną sumą aktualnego odniesienia.

W razie potrzeby do wyjść można dołączyć rezystory w celu interpretacji wyniku jako wyjścia analogowego.

Jak działają przetworniki analogowo-cyfrowe

Do tej pory dyskutowaliśmy, jak konwertować sygnały cyfrowe na analogowe, teraz nauczmy się, jak zrobić coś odwrotnego, czyli przekonwertować sygnał analogowy na sygnał cyfrowy. Można to zaimplementować za pomocą dobrze znanej metody zwanej metoda podwójnego spadku .

Poniższy rysunek przedstawia schemat blokowy standardowego konwertera ADC z podwójnym nachyleniem.

Tutaj zastosowano przełącznik elektroniczny do przesyłania pożądanego analogowego sygnału wejściowego do integratora, zwanego również generatorem rampy. Ten generator rampy może mieć postać kondensatora ładowanego stałym prądem do generowania liniowej rampy. Daje to wymaganą konwersję cyfrową przez licznik, który działa zarówno dla dodatnich, jak i ujemnych interwałów nachylenia integratora.

Metodę można zrozumieć za pomocą następującego opisu:

Pełen zakres pomiarowy licznika decyduje o stałym interwale czasowym. W tym przedziale analogowe napięcie wejściowe przyłożone do integratora powoduje wzrost napięcia wejściowego komparatora do pewnego dodatniego poziomu.

Odnosząc się do sekcji (b) powyższego diagramu, pokazuje, że napięcie z integratora na końcu ustalonego przedziału czasu jest wyższe niż napięcie wejściowe, które ma większą wielkość.

Po zakończeniu ustalonego przedziału czasowego zliczanie jest ustawiane na 0, co powoduje, że przełącznik elektroniczny ma podłączyć integrator do stałego referencyjnego poziomu napięcia wejściowego. Następnie moc wyjściowa integratora, która jest jednocześnie wejściem kondensatora, zaczyna spadać ze stałą szybkością.

W tym okresie licznik przesuwa się dalej, podczas gdy wyjście integratora nadal spada ze stałą szybkością, aż spadnie poniżej napięcia odniesienia komparatora. Powoduje to zmianę stanu wyjścia komparatora i powoduje zatrzymanie zliczania przez stopień logiki sterującej.

Przechowywana wielkość cyfrowa wewnątrz licznika staje się cyfrowym wyjściem konwertera.

Użycie wspólnego zegara i stopnia integratora zarówno podczas dodatnich, jak i ujemnych interwałów nachylenia dodaje pewien rodzaj kompensacji do kontrolowania dryftu częstotliwości zegara i ograniczenia dokładności integratora.

Możliwe jest skalowanie wyjścia licznika zgodnie z preferencjami użytkownika poprzez odpowiednie ustawienie wartości odniesienia odniesienia i częstotliwości taktowania. Możemy mieć licznik w postaci binarnej, BCD lub w innym formacie cyfrowym, jeśli jest to wymagane.

Korzystanie z sieci drabinkowej

Metoda sieci drabinkowej wykorzystująca stopnie licznika i komparatora jest kolejnym idealnym sposobem implementacji konwersji analogowo-cyfrowej. W tej metodzie licznik zaczyna odliczać od zera, który steruje siecią drabinkową, generując stopniowo narastające napięcie, przypominające klatkę schodową (patrz rysunek poniżej).

Proces pozwala na wzrost napięcia z każdym krokiem zliczania.

Komparator monitoruje to rosnące napięcie na klatce schodowej i porównuje je z analogowym napięciem wejściowym. Gdy tylko komparator wykryje napięcie na klatce schodowej przekraczające wejście analogowe, na jego wyjściu pojawi się monit o zatrzymanie zliczania.

Wartość licznika w tym momencie staje się cyfrowym odpowiednikiem sygnału analogowego.

Poziom zmiany napięcia generowanego przez stopnie sygnału klatki schodowej jest określony przez liczbę użytych bitów zliczających.

Na przykład licznik 12-stopniowy wykorzystujący napięcie odniesienia 10 V będzie obsługiwał 10-stopniową sieć drabinkową z napięciami krokowymi:

V_ref/dwa¹²= 10 V / 4096 = 2,4 mV

Spowoduje to uzyskanie rozdzielczości konwersji 2,4 mV. Czas potrzebny do wykonania konwersji jest określany przez częstotliwość zegara licznika.

Jeżeli częstotliwość zegara 1 MHz jest używana do obsługi licznika 12-stopniowego, maksymalny czas potrzebny do konwersji wyniósłby:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

Najmniejszą możliwą liczbę konwersji na sekundę można znaleźć jako:

Nie. konwersji = 1 / 4,1 ms ≈ 244 konwersji / sekundę

Czynniki wpływające na proces konwersji

Biorąc pod uwagę, że niektóre konwersje mogą wymagać większych wartości, a niektóre mogą wymagać krótszego czasu zliczania, zazwyczaj czas konwersji = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms może być dobrą wartością.

Daje to średnio 2 x 244 = 488 konwersji.

Wolniejszy zegar oznaczałby mniej konwersji na sekundę.

Konwerter pracujący z mniejszą liczbą stopni zliczania (niska rozdzielczość) miałby wyższy współczynnik konwersji.

Dokładność konwertera zależy od dokładności kompartaora.