Objašnjeni digitalno-analogni (DAC), analogno-digitalni (ADC) pretvarači

DO digitalno-analogni pretvarač ( Dacian , D / A , D2A , ili D-do-A ) je sklop dizajniran za pretvaranje digitalnog ulaznog signala u analogni izlazni signal. Analogno-digitalni pretvarač (ADC) radi na suprotan način i pretvara analogni ulazni signal u digitalni izlaz.

U ovom članku opsežno raspravljamo o tome kako funkcioniraju krugovi digitalnog u analogni i analogno u digitalni pretvarač, koristeći dijagrame i formule.

U elektronici možemo naći napone i struje koji kontinuirano variraju u različitim rasponima i magnitudama.

U digitalnim krugovima signal napona je u dva oblika, bilo kao logička visoka ili kao logička niska logička razina, koji predstavljaju binarne vrijednosti 1 ili 0.

U analogno-digitalnim pretvaračima (ADC) ulazni analogni signal predstavljen je kao digitalna veličina, dok digitalno-analogni pretvarač (DAC) pretvara digitalnu veličinu natrag u analogni signal.

Kako funkcioniraju digitalno-analogni pretvarači

Proces digitalno-analogne pretvorbe može se provesti kroz mnogo različitih tehnika.

Jedna dobro poznata metoda koristi mrežu otpornika, poznatu kao mreža ljestava.

Mrežna ljestvica dizajnirana je za prihvat ulaza koji uključuju binarne vrijednosti obično na 0 V ili Vref i isporučuje izlazni napon ekvivalentan veličini binarnog ulaza.

Donja slika prikazuje mrežu ljestvi koja koristi 4 ulazna napona, koji predstavljaju 4 bita digitalnih podataka i izlazni napon jednosmjerne struje.

Izlazni napon proporcionalan je vrijednosti digitalnog ulaza izraženom jednadžbom:

Rješavajući gornji primjer dobivamo sljedeći izlazni napon:

Kao što vidimo, digitalni ulaz 0110_dvapretvara se u analogni izlaz od 6 V.

Svrha mreže ljestvi je promijeniti 16 potencijalnih binarnih veličina
kroz 0000 do 1111 u jednu od 16 naponskih veličina u intervalima od V_ref/ 16.

Stoga je možda moguće obraditi više binarnih ulaza uključivanjem većeg broja ljestvičnih jedinica i postići veću kvantizaciju za svaki korak.

Što znači, pretpostavimo da ako koristimo mrežu s 10 ljestvičastih ljestvi, omogućit ćemo upotrebu za povećanje veličine napona ili razlučivosti na V_ref/dva¹⁰ili V_ref/ 1024. U ovom slučaju, ako smo koristili referentni napon V_ref= 10 V stvaralo bi izlazni napon u koracima od 10 V / 1024 ili oko 10 mV.

Dakle, dodavanjem većeg broja stepenica ljestvice dobit ćemo razmjerno veću rezoluciju.

Tipično, za n broj stepenica ljestvice, to se može prikazati kroz sljedeću formulu:

V_ref/ dvaⁿ

DAC blok dijagram

Donja slika prikazuje blok dijagram standardnog DAC-a koji koristi mrežu ljestvica, označen kao R-2R ljestve. To se može zaključati između referentnog izvora struje i strujnih sklopki.

Prekidači struje povezani su s binarnim prekidačima, stvarajući izlaznu struju proporcionalnu ulaznoj binarnoj vrijednosti.

Binarni ulazi prebacuju odgovarajuće krakove ljestvice, omogućujući izlaznu struju koja je ponderirani zbroj referentne struje.

Ako je potrebno, na izlaze se mogu priključiti otpornici za tumačenje rezultata kao analognog izlaza.

Kako rade analogno-digitalni pretvarači

Do sada smo razgovarali o tome kako pretvoriti digitalni u analogni signal, a sada naučimo kako učiniti suprotno, to jest pretvoriti analogni signal u digitalni signal. To se može provesti dobro poznatom metodom koja se naziva metoda dvostrukog nagiba .

Sljedeća slika prikazuje blok dijagram za standardni ADC pretvarač s dvostrukim nagibom.

Ovdje se koristi elektronički prekidač za prijenos željenog analognog ulaznog signala na integrator, koji se naziva i rampni generator. Ovaj generator rampe može biti u obliku kondenzatora nabijenog konstantnom strujom za stvaranje linearne rampe. To daje potrebnu digitalnu pretvorbu kroz brojač koji radi i za pozitivne i za negativne intervale nagiba integratora.

Metoda se može razumjeti sa sljedećim opisom:

Puni opseg mjerenja brojača određuje fiksni vremenski interval. Za taj interval ulazni analogni napon primijenjen na integrator dovodi do porasta ulaznog napona komparatora na neku pozitivnu razinu.

Pozivanje na odjeljak (b) gornjeg dijagrama pokazuje da je napon integratora na kraju određenog vremenskog intervala veći od ulaznog napona koji je veće veličine.

Kad završi fiksni vremenski interval, brojanje se postavi na 0, što traži elektroničku sklopku da poveže integrator na fiksnu referentnu razinu ulaznog napona. Nakon toga, izlaz integratora koji je ujedno i ulaz kondenzatora počinje padati konstantnom brzinom.

U tom razdoblju brojač nastavlja napredovati, dok izlaz integratora nastavlja padati konstantnom brzinom, sve dok ne padne ispod referentnog napona komparatora. To uzrokuje promjenu stanja izlaza usporedbe i pokreće fazu upravljačke logike da zaustavi brojanje.

Pohranjena digitalna veličina unutar brojača postaje digitalni izlaz pretvarača.

Upotreba zajedničkog stupnja takta i integratora tijekom intervala pozitivnog i negativnog nagiba dodaje neku vrstu kompenzacije za kontrolu zanošenja frekvencije takta i ograničenje točnosti integratora.

Može biti moguće prilagoditi izlaz brojača prema korisničkim željama prikladnim podešavanjem referentne ulazne vrijednosti i takta. Ako je potrebno, brojač možemo imati u binarnom, BCD obliku ili u drugom digitalnom formatu.

Korištenje mreže ljestava

Metoda mrežne ljestvice koja koristi stupnjeve brojača i usporedbe još je jedan idealan način za provođenje analogno-digitalne pretvorbe. U ovoj metodi, brojač započinje odbrojavanje od nule, što pokreće mrežu ljestvi, generirajući koračni napon koji nalikuje stubištu (vidi sliku dolje).

Proces omogućuje napon da se povećava sa svakim korakom brojanja.

Usporednik prati taj porast napona stubišta i uspoređuje ga s analognim ulaznim naponom. Čim usporednik osjeti napon stubišta iznad analognog ulaza, njegov izlaz traži zaustavljanje brojanja.

Vrijednost brojača u ovom trenutku postaje digitalni ekvivalent analognog signala.

Razina promjene napona koji generiraju koraci stubišnog signala određuje se količinom upotrijebljenih bitova za brojanje.

Na primjer, 12-stupanjski brojač koji koristi referentnu struju od 10 V upravljat će mrežom ljestvica s 10 stupnjeva s naponom koraka:

V_ref/dva¹²= 10 V / 4096 = 2,4 mV

To će stvoriti pretvorbenu razlučivost od 2,4 mV. Vrijeme potrebno za izvršenje pretvorbe određuje se taktom brojača.

Ako se za rad s 12-faznim brojačem koristi takt od 1 MHz, maksimalno vrijeme potrebno za pretvorbu bilo bi:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

Najmanji broj konverzija koji su mogući u sekundi može se naći kao:

Ne. pretvorbi = 1 / 4,1 ms ≈ 244 pretvorbe / sekundu

Čimbenici koji utječu na proces pretvorbe

Uzimajući u obzir da neka pretvorba može zahtijevati veće, a neka možda niže vrijeme brojanja, obično vrijeme pretvorbe = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms može biti dobra vrijednost.

To će u prosjeku proizvesti 2 x 244 = 488 konverzija.

Sporiji radni takt značio bi manje konverzija u sekundi.

Pretvarač koji radi s manjim brojem stupnjeva brojanja (niska razlučivost) imao bi veću stopu pretvorbe.

Preciznost pretvarača određuje se preciznošću usporednika.