Digitaal-analoog (DAC), analoog-digitaal (ADC) muundurid on selgitatud

TO digitaal-analoogmuundur ( Dacian , D / A , D2A või D-to-A ) on vooluahel, mis on ette nähtud digitaalse sisendsignaali teisendamiseks analoogväljundsignaaliks. Analoog-digitaalmuundur (ADC) töötab vastupidisel viisil ja muudab analoogsisendi digitaalseks väljundiks.

Selles artiklis käsitleme skeemide ja valemite abil põhjalikult, kuidas digitaal-analoog ja analoog-digitaalmuundurid töötavad.

Elektroonikas võime leida erinevate vahemike ja suurustega pidevalt muutuvaid pingeid ja voolusid.

Digitaalahelates on pingesignaal kahes vormis, kas loogiliselt kõrge või loogiliselt madala loogikatasemena, mis esindavad binaarseid väärtusi 1 või 0.

Analoog-digitaalmuundurites (ADC) kujutatakse sisendanaloogi signaali digitaalsuurusena, samal ajal kui digitaalse-analoogmuunduri (DAC) abil muudetakse digitaalne suurus analoogsignaaliks.

Kuidas töötavad digitaal-analoogmuundurid

Digitaal-analoog muundamise protsessi saab läbi viia paljude erinevate tehnikate abil.

Üks tuntud meetod kasutab takistite võrku, mida nimetatakse redelivõrguks.

Redelivõrk on kavandatud aktsepteerima sisendeid, mis hõlmavad kahendväärtusi tavaliselt 0 V või Vref väärtusel, ja väljastab väljundpinge, mis vastab binaarse sisendi suurusele.

Allpool olev joonis näitab redelivõrku, mis kasutab 4 sisendpinget, mis esindavad 4 bitti digitaalandmeid ja alalispinge väljundit.

Väljundpinge on proportsionaalne digitaalse sisendi väärtusega, mida väljendab võrrand:

Eespool toodud näite lahendamisel saame järgmise väljundpinge:

Nagu näeme, digitaalne sisend 0110_kaksteisendatakse analoogväljundiks 6 V.

Redelivõrgu eesmärk on muuta 16 potentsiaalset binaarset suurust
0000 kuni 1111 ühte 16 pinge suurusest V intervalliga_viide/ 16.

Seetõttu võib olla võimalik töödelda rohkem binaarseid sisendeid, lisades redeliühikute arvu, ja saavutada iga etapi jaoks suurem kvantimine.

Tähendab, oletame, et kui kasutame 10-astmelist redelivõrku, võimaldab see kasutada pinge sammu koguse või eraldusvõime suurendamiseks V-ni_viide/ kaks¹⁰või V_viide/ 1024. Sellisel juhul, kui kasutaksime võrdluspinget V_viide= 10 V tekitaks väljundpinge sammudega 10 V / 1024 või umbes 10 mV.

Seega annab redelietappide arvu lisamine proportsionaalselt suurema eraldusvõime.

Tavaliselt selleks n redeli sammude arv, saab seda esitada järgmise valemi abil:

V_viide/ kaksⁿ

DAC-i plokkskeem

Alloleval joonisel on redelivõrku kasutava DAC-i plokkskeem, millele viidatakse kui redelile R-2R. Seda võib näha lukustatuna võrdlusvooluallika ja voolulülitite vahel.

Voolulülitid on ühendatud kahendlülititega, tekitades sisendkahendväärtusega proportsionaalse väljundvoolu.

Binaarsed sisendid lülitavad redeli vastavaid jalgu, võimaldades väljundvoolu, mis on praeguse võrdluskaalu kaalutud summa.

Vajaduse korral saab väljunditega kinnitada takistid tulemuse tõlgendamiseks analoogväljundina.

Kuidas analoog-digitaalmuundurid töötavad

Siiani oleme arutanud, kuidas teisendada digitaalandmeid analoogsignaalideks, nüüd õpime, kuidas teha vastupidist, st teisendada analoogsignaal digitaalsignaaliks. Seda saab rakendada tuntud meetodi, mida nimetatakse kahekordse kaldega meetod .

Järgmisel joonisel on näidatud tavalise kahekordse kaldega ADC muunduri plokkskeem.

Siin kasutatakse elektroonilist lülitit soovitud analoogsisendi signaali edastamiseks integraatorile, mida nimetatakse ka rampgeneraatoriks. See kaldgeneraator võib olla kondensaatori kujul, mis on laetud konstantse vooluga lineaarse kaldtee genereerimiseks. See tagab vajaliku digitaalse teisenduse loenduri kaudu, mis töötab nii integraatori positiivse kui ka negatiivse intervalli korral.

Meetodit võib mõista järgmise kirjeldusega:

Fikseeritud ajaintervalli otsustab loenduri kogu mõõtepiirkond. Selle intervalli korral põhjustab integraatorile rakendatav sisendanaloogpinge komparaatori sisendpinge mõnele positiivsele tasemele.

Viidates ülaltoodud skeemi jaotisele (b), näitab integraatori pinge fikseeritud ajaintervalli lõpus suurema sisendpinge kui suurusjärgus.

Kui fikseeritud ajaintervall on lõppenud, määratakse loendiks 0, mis palub elektroonilisel lülitil ühendada integraator fikseeritud sisendpinge tasemega. Pärast seda hakkab integraatori väljund, mis on ka kondensaatori sisend, langema ühtlase kiirusega.

Sel perioodil loendur jätkab edasiliikumist, samal ajal kui integraatori väljund langeb jätkuvalt ühtlasel kiirusel, kuni see langeb alla võrdleja võrdluspingest. See põhjustab võrdlusväljundi oleku muutmise ja käivitab juhtimisloogika etapi loendamise.

Loenduri sees olev salvestatud digitaalne suurus muutub muunduri digitaalseks väljundiks.

Ühise kella ja integraatori etapi kasutamine nii positiivse kui ka negatiivse nõlvade intervalli ajal lisab mingisuguse kompensatsiooni taktsageduse triivi kontrollimiseks ja integraatori täpsuspiiri.

Võimalik, et loenduri väljundit saab skaleerida vastavalt kasutaja eelistustele, seadistades sobivalt sisendsignaali väärtuse ja taktsageduse. Vajadusel võib loendur olla kahend-, BCD- või muus digitaalses vormingus.

Redeli võrgu kasutamine

Redeli võrgu meetod, kasutades loenduri ja võrdlusastmeid, on veel üks ideaalne viis analoog-digitaalse teisenduse rakendamiseks. Selle meetodi korral hakkab loendur nullist loendama, mis juhib redelivõrku, genereerides astmelise kasvava pinge, mis sarnaneb trepiga (vt joonist allpool).

Protsess võimaldab pinge suurenemist iga loendamissammuga.

Võrdleja jälgib seda trepi kasvavat pinget ja võrdleb seda analoogsisendi pingega. Niipea kui komparaator tajub, et trepi pinge läheb üle analoogsisendi, palub selle väljund loendamise lõpetada.

Loenduri väärtus muutub selles punktis analoogsignaali digitaalseks ekvivalendiks.

Trepisignaali astmetega tekitatud pinge muutuse tase määratakse kasutatud loendamisbitite hulga järgi.

Näiteks töötab 12-astmeline loendur, kasutades 10 V võrdlust, 10-astmelist redelivõrku, mille astmelised pinged on:

V_viide/ kaks¹²= 10 V / 4096 = 2,4 mV

See loob muundamise lahutusvõime 2,4 mV. Konversiooni teostamiseks vajaliku aja määrab loenduri taktsagedus.

Kui 12-astmelise loenduri käitamiseks kasutatakse taktsagedust 1 MHz, oleks teisendamiseks kuluv maksimaalne aeg:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

Vähim konversioonide arvu, mis sekundis võimalik on, on järgmine:

ei konversioonidest = 1 / 4,1 ms ≈ 244 konversiooni sekundis

Konversiooniprotsessi mõjutavad tegurid

Arvestades, et mõni teisendamine võib nõuda suuremat ja mõni nõuda väiksemat loendusaega, võib tavaliselt olla hea konversiooniaeg = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms.

See annab keskmiselt 2 x 244 = 488 konversioonide arvu.

Aeglasem taktsagedus tähendaks vähem konversioone sekundis.

Madalama loendamisetappide arvuga (madala eraldusvõimega) töötaval muunduril oleks suurem teisendamise määr.

Muunduri täpsus määratakse kompartori täpsusega.