Explicați convertoarele digital-analog (DAC), analog-digital (ADC)

Încercați Instrumentul Nostru Pentru Eliminarea Problemelor





LA convertor digital-analog ( DAC , D / A , D2A , sau D-to-A ) este un circuit conceput pentru a converti un semnal de intrare digital într-un semnal de ieșire analogic. Convertorul analog-digital (ADC) funcționează în sens opus și transformă un semnal analogic de intrare într-o ieșire digitală.

În acest articol discutăm în detaliu modul în care funcționează circuitele convertorului digital-analog și analogic-digital, folosind diagrame și formule.



În electronică putem găsi tensiuni și curenți care variază continuu cu diferite intervale și mărimi.

În circuitele digitale, semnalul de tensiune este sub două forme, fie ca niveluri logice ridicate, fie logice, care reprezintă valori binare de 1 sau 0.



Într-un convertor analog la digital (ADC), semnalul analogic de intrare este reprezentat ca o magnitudine digitală, în timp ce un convertor digital-analogic (DAC) convertește magnitudinea digitală înapoi la un semnal analogic.

Cum funcționează convertoarele digital-analog

Procesul de conversie digital-analog poate fi realizat prin multe tehnici diferite.

O metodă bine cunoscută utilizează o rețea de rezistențe, cunoscută sub numele de rețea scară.

O rețea de tip scară este proiectată să accepte intrări care implică valori binare de obicei la 0 V sau Vref și furnizează o tensiune de ieșire echivalentă cu magnitudinea intrării binare.

Figura de mai jos demonstrează o rețea scară care utilizează 4 tensiuni de intrare, care reprezintă 4 biți de date digitale și o ieșire de tensiune de curent continuu.

Tensiunea de ieșire este proporțională cu valoarea de intrare digitală, exprimată prin ecuație:

Rețea scară DAC

Rezolvând exemplul de mai sus obținem următoarea tensiune de ieșire:

După cum vedem, o intrare digitală 0110Douăse convertește la o ieșire analogică de 6 V.

Scopul rețelei de scări este de a modifica cele 16 magnitudini binare potențiale
până la 0000 până la 1111 într-una dintre cele 16 mărimi de tensiune la intervale de Vref/ 16.

Prin urmare, poate fi posibil să procesați mai multe intrări binare prin includerea unui număr mai mare de unități de scară și să realizați cuantificare mai mare pentru fiecare pas.

Adică, să presupunem că, dacă folosim o rețea cu 10 trepte, va permite utilizarea pentru a crește cantitatea de trepte de tensiune sau rezoluția la V.ref/Două10sau Vref/ 1024. În acest caz, dacă am folosit o tensiune de referință Vref= 10 V ar genera tensiune de ieșire în trepte de 10 V / 1024, sau la aproximativ 10 mV.

Astfel, adăugarea unui număr mai mare de etape de scară ne va oferi o rezoluție proporțional mai mare.

De obicei, pentru n numărul de trepte ale scării, aceasta poate fi reprezentată prin următoarea formulă:

Vref/ Douăn

Diagrama bloc DAC

Figura de mai jos prezintă schema bloc a unui DAC standard utilizând o rețea de scări, la care se face referire ca o scară R-2R. Acest lucru poate fi văzut blocat între sursa curentă de referință și comutatoarele curente.

Comutatoarele de curent sunt legate de comutatoarele binare, producând un curent de ieșire proporțional cu valoarea binară de intrare.

Intrările binare comută picioarele respective ale scării, permițând un curent de ieșire care este o sumă ponderată a referinței curente.

Dacă este necesar, rezistențele pot fi atașate la ieșiri pentru interpretarea rezultatului ca ieșire analogică.

IC DAC utilizând rețeaua scării R-2R.

Cum funcționează convertoarele analog-digital

Până acum am discutat despre cum să convertim semnale digitale în analogice, acum să învățăm cum să facem opusul, adică să convertim un semnal analog într-un semnal digital. Acest lucru poate fi implementat printr-o metodă bine cunoscută numită metoda cu panta duala .

Următoarea figură arată schema bloc pentru convertorul ADC standard cu dublă pantă.

Conversie analog-digital utilizând metoda cu două pante: (a) diagramă logică (b) formă de undă.

Aici, este utilizat un comutator electronic pentru a transfera semnalul de intrare analogic dorit către un integrator, numit și generator de rampă. Acest generator de rampă poate fi sub forma unui condensator încărcat cu un curent constant pentru generarea rampei liniare. Aceasta produce conversia digitală necesară printr-o etapă de contor care funcționează atât pentru intervalele de înclinare pozitive cât și negative ale integratorului.

Metoda poate fi înțeleasă cu următoarea descriere:

Domeniul complet de măsurare al contorului decide intervalul de timp fixat. Pentru acest interval, tensiunea analogică de intrare aplicată integratorului determină creșterea tensiunii de intrare la un nivel pozitiv.

Referindu-ne la secțiunea (b) din diagrama de mai sus, arată că tensiunea de la integrator la sfârșitul intervalului de timp fixat este mai mare decât tensiunea de intrare care este mai mare ca mărime.

Când intervalul de timp fix se termină, numărul este setat la 0, ceea ce solicită comutatorului electronic să conecteze integratorul la un nivel fix de tensiune de intrare de referință. După aceasta, ieșirea integratorului, care este și intrarea condensatorului, începe să scadă cu o rată constantă.

În această perioadă, contorul continuă să avanseze, în timp ce ieșirea integratorului continuă să scadă la o rată constantă, până când acesta coboară sub tensiunea de referință a comparatorului. Acest lucru face ca ieșirea comparatorului să schimbe starea și declanșează etapa logică de control pentru a opri numărarea.

Mărimea digitală stocată în interiorul contorului devine ieșirea digitală a convertorului.

Utilizarea unei etape comune a ceasului și a integratorului atât în ​​intervalele de înclinare pozitive cât și negative, adaugă un fel de compensare pentru controlul derivei frecvenței ceasului și a limitei de precizie a integratorului.

Poate fi posibil să scalați ieșirea contorului în funcție de preferințele utilizatorului, configurând în mod adecvat valoarea de intrare de referință și rata de ceas. Putem avea contorul ca binar, BCD sau în alt format digital, dacă este necesar.

Utilizarea rețelei Ladder

Metoda rețelei de scară care folosește etapele de contor și comparator este un alt mod ideal de a implementa conversia analog-digital. În această metodă, un contor începe să numere de la zero, care conduce o rețea de scară, generând o tensiune incrementală în trepte, asemănătoare unei scări (a se vedea figura de mai jos).

Proces de conversie analog-digital utilizând rețeaua scară: (a) diagramă logică (b) diagramă de formă de undă.

Procesul permite creșterea tensiunii cu fiecare pas de numărare.

Un comparator monitorizează această tensiune crescătoare a scării și o compară cu tensiunea de intrare analogică. De îndată ce comparatorul detectează tensiunea scării care depășește intrarea analogică, ieșirea acestuia solicită oprirea numărării.

Valoarea contorului în acest moment devine echivalentul digital al semnalului analogic.

Nivelul de schimbare a tensiunii generate de treptele semnalului scării este determinat de cantitatea de biți de număr utilizați.

De exemplu, un contor cu 12 trepte care utilizează o referință de 10 V va opera o rețea de scară cu 10 trepte cu tensiuni de pas de:

Vref/Două12= 10 V / 4096 = 2,4 mV

Aceasta va crea o rezoluție de conversie de 2,4 mV. Timpul necesar pentru executarea conversiei este determinat de rata de ceas a contorului.

Dacă rata de ceas de 1 MHz este utilizată pentru operarea unui contor cu 12 trepte, timpul maxim necesar conversiei ar fi:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

Cel mai mic număr de conversii care poate fi posibil pe secundă poate fi găsit ca:

Nu. de conversii = 1 / 4,1 ms ≈ 244 conversii / secundă

Factori care influențează procesul de conversie

Având în vedere că unele conversii pot necesita mai mult și altele pot necesita un timp de numărare mai mic, de obicei un timp de conversie = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms poate fi o valoare bună.

Aceasta va produce un număr de 2 x 244 = 488 de conversii în medie.

Rata de ceas mai lentă ar însemna mai puține conversii pe secundă.

Un convertor care funcționează cu un număr mai mic de etape de numărare (rezoluție mică) ar avea o rată mai mare de conversie.

Precizia convertorului este determinată de acuratețea compartimentului.




Precedent: Cum se calculează transformatoarele de miez de ferită Următorul: Circuitul indicatorului de nivel al combustibilului cu ultrasunete