Обяснени цифрово-аналогови (ЦАП), аналогово-цифрови (ADC) преобразуватели

Обяснени цифрово-аналогови (ЦАП), аналогово-цифрови (ADC) преобразуватели

ДА СЕ цифрово-аналогов преобразувател ( Дакийски , D / A , D2A , или От D до A ) е схема, предназначена за преобразуване на цифров входен сигнал в аналогов изходен сигнал. Аналогово-цифровият преобразувател (ADC) работи по обратния начин и трансформира аналогов входен сигнал в цифров изход.



В тази статия ние обсъждаме изчерпателно как работят схемите за цифрово-аналогови и аналогово-цифрови преобразуватели, като използваме диаграми и формули.

В електрониката можем да открием напрежения и токове, които непрекъснато се променят с различни диапазони и величини.





В цифровите вериги сигналът на напрежението е в две форми, или като логически високи или логически ниски логически нива, които представляват двоични стойности от 1 или 0.

В аналогово-цифровите преобразуватели (ADC) входният аналогов сигнал се представя като цифрова величина, докато цифрово-аналоговият преобразувател (ЦАП) преобразува цифровата величина обратно в аналогов сигнал.



Как работят цифрово-аналоговите преобразуватели

Процесът на цифрово-аналогово преобразуване може да се извърши чрез много различни техники.

Един добре познат метод използва мрежа от резистори, известна като стълбищна мрежа.

Мрежовата стълба е проектирана да приема входове, включващи двоични стойности, обикновено при 0 V или Vref и доставя изходно напрежение, еквивалентно на величината на двоичния вход.

Фигурата по-долу показва мрежа от стълби, използваща 4 входни напрежения, които представляват 4 бита цифрови данни и изходно напрежение.

Изходното напрежение е пропорционално на стойността на цифровия вход, изразено от уравнението:

Мрежа от DAC стълби

Решавайки горния пример, получаваме следното изходно напрежение:

Както виждаме, цифров вход на 0110двесе преобразува в аналогов изход от 6 V.

Целта на стълбищната мрежа е да промени 16-те потенциални двоични величини
през 0000 до 1111 в една от 16-те величини на напрежението на интервали от Vреф/ 16.

Следователно може да е възможно да се обработят повече двоични входове, като се включи по-голям брой стълбови единици и да се извърши по-високо квантуване за всяка стъпка.

Смислено, да предположим, че ако използваме мрежа от 10 стъпала, това ще позволи да се увеличи количеството стъпка на напрежението или разделителната способност до Vреф/ две10или Vреф/ 1024. В този случай, ако използвахме еталонно напрежение Vреф= 10 V би генерирало изходно напрежение на стъпки от 10 V / 1024 или около 10 mV.

По този начин, добавянето на по-голям брой стъпала ще ни даде пропорционално по-висока резолюция.

Обикновено за н брой стълби на стълби, това може да бъде представено чрез следната формула:

Vреф/ двен

Блок диаграма на ЦАП

Фигурата по-долу показва блок-схемата на стандартен ЦАП, използващ стълбищна мрежа, посочена като стълба R-2R. Това може да се види заключено между референтен източник на ток и токови превключватели.

Токовите превключватели са свързани с двоичните превключватели, като произвеждат изходен ток, пропорционален на входната двоична стойност.

Двоичните входове превключват съответните крака на стълбата, позволявайки изходен ток, който е претеглена сума от текущата справка.

Ако е необходимо, резистори могат да бъдат прикрепени към изходите за интерпретиране на резултата като аналогов изход.

DAC IC с помощта на стълбищна мрежа R-2R.

Как работят аналогово-цифровите преобразуватели

Досега обсъждахме как да конвертираме цифрови в аналогови сигнали, сега нека се научим как да направим обратното, т.е. преобразуване на аналогов сигнал в цифров сигнал. Това може да се осъществи чрез добре познат метод, наречен метод с двоен наклон .

Следващата фигура показва блок-схемата за стандартния ADC преобразувател с двоен наклон.

Аналогово-цифрово преобразуване чрез метод с двоен наклон: (а) логическа диаграма (б) форма на вълната.

Тук се използва електронен превключвател за прехвърляне на желания аналогов входен сигнал към интегратор, наричан още генератор на рампа. Този генератор на рампа може да бъде под формата на кондензатор, зареден с постоянен ток за генериране на линейната рампа. Това произвежда необходимото цифрово преобразуване чрез брояч, който работи както за положителни, така и за отрицателни интервали на наклона на интегратора.

Методът може да бъде разбран със следното описание:

Пълният обхват на измерване на брояча определя фиксирания интервал от време. За този интервал входното аналогово напрежение, приложено към интегратора, кара входното напрежение на компаратора да се повиши до някакво положително ниво.

Позоваването на раздела (b) на диаграмата по-горе показва, че напрежението от интегратора в края на фиксирания интервал от време е по-високо от входното напрежение, което е по-голямо по размер.

Когато фиксираният интервал от време завърши, броят се задава на 0, което подканва електронния превключвател да свърже интегратора към фиксирано референтно ниво на входното напрежение. След това изходът на интегратора, който е и входът на кондензатора, започва да спада с постоянна скорост.

През този период броячът продължава да напредва, докато изходът на интегратора продължава да пада с постоянна скорост, докато не падне под референтното напрежение на компаратора. Това води до промяна на състоянието на компаратора и задейства логическия етап на управление, за да спре броенето.

Съхранената цифрова величина вътре в брояча се превръща в цифров изход на преобразувателя.

Използването на общ часовник и степен на интегратор по време на положителния и отрицателния интервал на наклон добавя някаква компенсация за контролиране на отклонението на тактовата честота и граница на точност на интегратора.

Може да е възможно да се мащабира изхода на брояча според предпочитанията на потребителя чрез подходяща настройка на референтната входна стойност и тактовата честота. Можем да имаме брояча като двоичен, BCD или в друг цифров формат, ако е необходим.

Използване на Ladder Network

Методът на мрежовата стълба, използващ броячни и сравнителни етапи, е друг идеален начин за реализиране на аналогово-цифрово преобразуване. При този метод броячът започва да брои от нула, който задвижва стълбообразна мрежа, генерирайки стъпаловидно нарастващо напрежение, наподобяващо стълбище (вижте фигурата по-долу).

Процес на аналогово-цифрово преобразуване с помощта на стълбищна мрежа: (а) логическа диаграма (б) диаграма на формата на вълната.

Процесът позволява напрежението да се увеличава с всяка стъпка на отброяване.

Сравнител наблюдава това нарастващо стълбищно напрежение и го сравнява с аналоговото входно напрежение. Веднага щом компараторът усети напрежението на стълбището над аналоговия вход, изходът му подканва да спре броенето.

Стойността на брояча в този момент се превръща в цифров еквивалент на аналоговия сигнал.

Нивото на промяна в напрежението, генерирано от стъпките на стълбищния сигнал, се определя от количеството използвани битове за броене.

Например 12-степенен брояч, използващ 10 V еталон, ще работи с 10-степенна стълбова мрежа със стъпково напрежение от:

Vреф/ две12= 10 V / 4096 = 2,4 mV

Това ще създаде резолюция на преобразуване от 2,4 mV. Времето, необходимо за изпълнение на преобразуването, се определя от тактовата честота на брояча.

Ако тактовата честота от 1 MHz се използва за работа с 12-степенен брояч, максималното време, необходимо за преобразуването, ще бъде:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

Най-малкият брой реализации, които може да са възможни в секунда, могат да бъдат намерени като:

не. от реализации = 1 / 4.1 ms ≈ 244 реализации / секунда

Фактори, които влияят на процеса на преобразуване

Като се има предвид, че някои преобразувания може да изискват по-голямо, а други може да изискват по-ниско време за броене, обикновено времето за преобразуване = 4.1ms / 2 = 2.05 ms може да бъде добра стойност.

Това ще доведе до средно 2 x 244 = 488 броя реализации.

По-бавната тактова честота би означавала по-малко реализации в секунда.

Преобразувателят, работещ с по-малък брой етапи на броене (ниска разделителна способност), би имал по-висока скорост на преобразуване.

Прецизността на преобразувателя се определя от точността на сравнителя.




Предишна: Как да изчислим феритни сердечни трансформатори Следваща: Ултразвукова схема на индикатора за нивото на горивото