Moderne digitaal-naar-analoog converters DAC. Digitaal-naar-analoog-omzetter

Een digitaal-naar-analoog omzetter (DAC) is ontworpen om invoergrootheden die worden weergegeven door numerieke codes automatisch om te zetten (decoderen) naar de overeenkomstige waarden van continu variërende, in de tijd variërende (dat wil zeggen analoge) grootheden. Met andere woorden, de DAC voert de tegenovergestelde conversie uit in vergelijking met de ADC. De fysieke uitgangsgrootheden van de ADC vertegenwoordigen meestal elektrische spanningen en stromen, maar kunnen ook tijdsintervallen, hoekbewegingen, enz. Zijn. In een automatiseringssysteem met een computer is het handiger om een digitaal signaal te verwerken (converteren en verzenden), maar het is vertrouwder en handiger voor een persoon (operator) om analoge signalen waar te nemen die overeenkomen met de waarden van numerieke codes. Met behulp van een ADC wordt informatie in een computer ingevoerd en met behulp van een DAC wordt deze door de computer uitgevoerd om het bestuurde object te beïnvloeden en door een persoon te worden waargenomen.

DAC-circuits gebruiken doorgaans een representatie van een binair getal dat uit meerdere cijfers bestaat als een som van machten van 2. Elk cijfer (als het een 1 bevat) wordt omgezet in een analoog signaal dat evenredig is aan het getal 2 tot een macht gelijk aan het cijfergetal. met één verminderd.

In afb. Figuur 4.38 toont een eenvoudig DAC-circuit, waarvan de basis een resistieve matrix is: een reeks weerstanden die zijn verbonden met de ingang van de operationele versterker door schakelaars die worden bestuurd door de overeenkomstige bits van een binair getal. Triodes (bijvoorbeeld MOS-transistors) kunnen als schakelaars worden gebruikt. Als er in dit bit een 1 wordt geschreven, is de sleutel gesloten, als er 0 is, is de sleutel open.

De noodzaak om een operationele versterker te gebruiken is te wijten aan het feit dat het uitgangssignaal in de DAC analoog is. Zowel de ingangs- als de uitgangssignalen van de op-amp zijn gelijkspanningen (in de zin van constante polariteit).

De versterking van de operationele versterker is gelijk aan de verhouding van de weerstand van de weerstand R os in het feedbackcircuit naar de weerstand van de weerstand aan de ingang van de versterker, die, zoals blijkt uit Fig. 4.38 heeft elk cijfer zijn eigen betekenis. Overdrachtscoëfficiënten K =- U uit / U op voor elke bit van het geconverteerde binaire getal (als 1 in deze bit is geschreven) zijn respectievelijk gelijk aan: K 0 =R o.s/ R 0 ;K 1 = 2R o.s/ R 0 ;K 2 = 4R o.s/ R 0 ;
K 3 = 8R o.s/ R 0. DAC-uitgangsspanning

U uit = - U op ( K 3 + K 2 + K 1 + K 0) =

= - U op ( R o.s/ R 0)(8X 3 + 4X 2 + 2X 1 + X 0),

Waar X neemt de waarde 1 of 0 aan, afhankelijk van wat er in een bepaald bit van het binaire getal is geschreven.

Rijst. 4.38. Digitaal-analoog circuit
converter gebaseerd op een resistieve matrix

Zo wordt een viercijferig binair getal omgezet in een spanning U uit, wat 16 mogelijke waarden kan aannemen van 0 tot 15D u kv, waar D u kv - kwantiseringsstap.

Om de kwantiseringsfout te verminderen, is het noodzakelijk om het aantal binaire bits van de DAC te vergroten. Bij het vervaardigen van DAC-geïntegreerde schakelingen met behulp van dit schema is het erg moeilijk om zeer nauwkeurige weerstanden te maken met weerstanden die tientallen of honderden keren van elkaar verschillen. Bovendien is de belasting van de referentiespanning U op verandert afhankelijk van de staat van de toetsen, dus het is noodzakelijk om een bron met een lage interne weerstand te gebruiken.

Het DAC-circuit getoond in Fig. 4.39, is vrij van de aangegeven nadelen. Daarin worden de wegingscoëfficiënten van elk cijfer ingesteld door sequentiële verdeling van de referentiespanning met behulp van een resistieve matrix van het type R- 2R, wat een multi-link spanningsdeler is.

Dit DAC-circuit maakt gebruik van tweestandenschakelaars die weerstanden 2 verbinden R hetzij op de ingang van de operationele versterker (met 1 in dit bit), hetzij op de gemeenschappelijke neutrale draad. De ingangsweerstand van de resistieve matrix is niet afhankelijk van de positie van de toetsen. De transmissiecoëfficiënt tussen aangrenzende matrixknooppunten is 0,5. Uitgangsspanning

U uit = - U op ( R/16R)(X 1 + 2X 2 + 4X 3 + 8X 4).

Rijst. 4.39. Digitaal-naar-analoog omzettercircuit
gebaseerd op resistieve matrix R-2R

De grootste invloed op de DAC-fout wordt uitgeoefend door afwijkingen van de weerstandsweerstanden van hun nominale waarden, en ook door het feit dat bij een echte schakelaar de weerstand in gesloten toestand niet gelijk is aan oneindig, en in open toestand niet. gelijk aan nul. Gefabriceerde resistieve matrices hebben een relatieve fout van ongeveer honderdsten van een procent, d.w.z. zijn zeer nauwkeurig.

4.5.2. Analoog-digitaal-omzetters met parallelle codering

Een analoog-digitaalomzetter (ADC) is ontworpen om continu in de tijd variërende (dat wil zeggen analoge) grootheden automatisch om te zetten (meten en coderen) in overeenkomstige numerieke codewaarden. In dit geval betekent het woord “cijfer” binaire code. Als we het hebben over digitale apparatuur voor het opnemen en weergeven van geluid of digitale telefonie, bedoelen we dat een voortdurend veranderend geluidssignaal wordt opgenomen of gedigitaliseerd wordt verzonden, dat wil zeggen: in de vorm van binaire (binaire) codes.

Afhankelijk van de conversiemethode worden ADC's onderverdeeld in serieel, parallel en serie-parallel.

De snelst werkende ADC's zijn van het parallelle type. Ze zetten een analoog signaal in één stap om in code, maar voor dergelijke ADC's zijn meerdere comparatoren nodig. In alle comparatoren met meerdere referentiespanningen wordt de ingangsspanning gelijktijdig vergeleken. Parallelle ADC's hebben een groter aantal elementen dan seriële ADC's.

Laten we eens kijken naar de werking van een parallelle drie-bit
ADC (Afb. 4.40).

Rijst. 4.40. Parallelle drie-bits ADC-schakeling

Drie binaire cijfers kunnen acht getallen vertegenwoordigen - van 0 tot 7. Daarom worden zeven comparatoren gebruikt om de ingangsspanning te vergelijken met referentiespanningen die zijn verkregen met behulp van een weerstandsdeler. Elke comparator verzendt een 0-signaal als de ingangsspanning lager is dan de referentiespanning, en anders een 1-signaal.

De toestanden van de vergelijkers en de overeenkomstige binaire codes worden weergegeven in de tabel. 4.12. De codeconverter produceert een binair getal van drie cijfers. De conversietijd van parallelle ADC's kan enkele tientallen nanoseconden bedragen, wat honderden keren sneller is dan seriële ADC's.

Tabel 4.12

Afhankelijkheid van digitale code van ingangsspanning

Relatieve ingangsspanningswaarde U=U invoer /U op	Vergelijkingsstatus	Binair codenummer

U< 0,5
£ 0,5 U< 1,5
£ 1,5 U< 2 ,5
£ 2,5 U < 3,5
£ 3,5 U< 4,5
£ 4,5 U< 5 ,5
£ 5,5 U<6 ,5
£ 6,5 U

4.5.3. Seriële A/D-converters

In afb. Figuur 4.41 toont een serieel ADC-circuit.

Rijst. 4.41. Analoog-naar-digitaal circuit
seriële converter

Bij het commando “Start” verschijnt de digitale machine doelgroep genereert een reeks binaire getallen die worden toegevoerd aan de ingang van een digitaal-naar-analoog converter DAC die spanning genereert U DAC die overeenkomt met elk binair ingangssignaal. Deze spanning (die voortdurend toeneemt tijdens het werken) doelgroep) wordt geleverd aan een van de comparatoringangen K, waarvan de andere ingang de ingangsspanning ontvangt U ingang De comparator vergelijkt deze twee spanningen en produceert een signaal wanneer ze gelijk zijn. Door dit signaal doelgroep stops, en een binaire code die overeenkomt met U invoer De conversie in een seriële ADC vindt dus stapsgewijs plaats. De uitgangswaarde vindt plaats in afzonderlijke stappen (cycli), d.w.z. benadert consequent de gemeten waarde. Daarom besteden seriële ADC's veel tijd aan elke analoge signaalconversie. Om hun prestaties te verbeteren, wordt de bitsgewijze balanceringsmethode gebruikt. Een diagram dat deze methode illustreert, wordt getoond in Fig. 4.42.

Rijst. 4.42. Analoog-naar-digitaal omzetcircuit
met bit-voor-bit-balancering

De rol van een digitale machine wordt vervuld door een register Rg met klokpulssensor DTI. De uitgangscode wordt gelezen op basis van het signaal van het datagereedheidscircuit SRS, die wordt geleverd wanneer er een signaal arriveert van de comparator K ongeveer gelijke ingangsspanning U ingang en spanning U DAC De werking van de comparator wordt gesynchroniseerd door pulsen DTI Dezelfde pulsen dragen achtereenvolgens de registerbits over Rg naar toestand 1. De overdracht begint vanaf het meest significante bit en de minst significante blijven in toestand 0. In dit geval produceert de DAC de overeenkomstige spanning, die wordt vergeleken in de comparator K met invoer. Als U DAC > U invoer, vervolgens wordt op commando van de comparator het meest significante bit teruggezet naar toestand 0; Als U DAC< U m, dan blijft de meest significante bit 1. Vervolgens wordt de volgende hoogste bit overgebracht naar toestand 1 Rg en de spanningen worden opnieuw vergeleken U DAC en U invoer De cyclus wordt herhaald totdat de gelijkheid van de aangegeven spanningen wordt geregistreerd wanneer een van de cijfers van lage orde wordt overgebracht naar toestand 1. Daarna SRS geeft een signaal om een uitvoercode af te geven. Het aantal vergelijkingscycli in een dergelijke ADC zal gelijk zijn aan het aantal bits van de uitgangscode.

4.6. Programmeerbare logische arrays en geïntegreerde schakelingen

De organisatie van ROM en programmeerbare logische arrays (PLM's) heeft veel gemeen. Laten we aan de hand van een voorbeeld de algemene aanpak voor het construeren van deze schema's identificeren.

Laten we aannemen dat het nodig is om een apparaat te bouwen dat een uitgangssignaal levert J1 wanneer codes 000, 001 worden ontvangen op de ingang; bij de uitgang J2 met codes 010, 100, 110; bij de uitgang J3 met codes 011, 101, 110, 111. De codes die aan de ingang van het apparaat worden geleverd, kunnen worden beschouwd als adrescodes van single-bit ROM-cellen, van waaruit de eenheden die via het OR-element worden gelezen, worden toegevoerd aan een van de uitgangen Y ik. Laten we eens kijken naar de relatie tussen adressen en gegevensfuncties
(Tabel 4.13).

In afb. 4.43, A er wordt een ROM-circuit gepresenteerd, bestaande uit een adresdecoder op logische elementen en opslagelementen in de vorm van diode-resistieve circuits, waarvan de circuits jumpers bevatten. Variabelen X3, X2, X1 worden beschouwd als adrescodes van verschillende geheugencellen. Van de tafel Figuur 4.13 laat zien dat in de decoder op bepaalde adressen de bijbehorende uitgangsbussen worden aangeslagen, die moeten worden gecombineerd op een van de uitgangen van de schakeling: J1, J2, J3. OF-elementen waarmee signalen worden gegenereerd Y ik, vertegenwoordigen een onvolledige encoder.

Tabel 4.13

Decoder-waarheidstabel

Adres	Ingangen	Uitgangen
	X3	X2	XI	J1	J2	J3
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7

In afb. 4.43, B Hetzelfde ROM-circuit wordt gepresenteerd in de vorm van twee matrices. Matrix A1 is een complete lineaire decoder met acht uitgangen. Elke verticale lijn in A1 komt overeen met een EN-element met drie ingangen, die elk een van de combinaties van ingangsvariabelen implementeren X3, X2, X1. Matrix A2 is een onvolledige encoder.

Rijst. 4.43. ROM-matrix als basis van PLM

Elke horizontale lijn in A2 komt overeen met een OF-poort met acht ingangen. De vorming van de noodzakelijke signalen aan elk van zijn ingangen wordt aangegeven door het punt op het snijpunt van de verticale lijn van de matrix A1 en horizontale matrixlijn A2.

De diagrammen getoond in Fig. 4.43 kan worden geïmplementeerd in de vorm van een combinatorisch circuit op een PLM (Fig. 4.44).

Rijst. 4.44. Combinatiecircuit op PLM

Vergelijking van twee circuits die dezelfde functies uitvoeren (zie Fig. 4.43, B en 4.44), zien we dat de schakeling geïmplementeerd in de vorm van een PLM eenvoudiger is. Matrix A1 in ROM is het een complete, hardgeprogrammeerde decoder; de PLM-matrix is minterms programmeerbaar voor functies. Apparatuurkosten worden meestal bepaald door het gebied van de halfgeleiderchip dat door het circuit wordt ingenomen. Op PLM gemaakte circuits bieden dus een grotere mate van integratie en breiden daardoor de functionaliteit van de microschakeling uit.

HOOFDSTUK 5.
COMPUTERHULPMIDDELEN VOOR INFORMATIEVERWERKING IN AUTOMATISERINGSSYSTEMEN

5.1. Microprocessors in textielautomatiseringssystemen

Digitale microschakelingen hebben nu hoge prestaties bereikt met een acceptabel stroomverbruik. De snelste digitale microschakelingen hebben schakelsnelheden in de orde van 3 - 5 ns. In deze microschakelingen is het stroomverbruik direct evenredig met de schakelsnelheid van de logische poorten in de microschakeling.

Een andere reden voor het wijdverbreide gebruik van microprocessors is dat een microprocessor een universele chip is die vrijwel elke functie kan vervullen. Universaliteit zorgt voor een grote vraag naar deze microschakelingen, wat massaproductie betekent. De kosten van microschakelingen zijn omgekeerd evenredig met de massaproductie ervan, dat wil zeggen dat microprocessors goedkope microschakelingen worden en daardoor de vraag nog meer vergroten.

Alle bovengenoemde eigenschappen komen voor een groot deel tot uiting in microcomputers met één chip of, zoals ze vaker worden genoemd vanwege hun toepassingsgebied: microcontrollers. Microcontrollers combineren alle componenten van een computer op één enkele chip: een microprocessor (vaak de microcontrollerkern genoemd), RAM, ROM, timers en I/O-poorten.

Met de overgang naar complexe automatisering van textielproductietechnologieën en de opkomst van middelen voor de implementatie ervan in de vorm van gespecialiseerde mic(MPCS), rees de vraag over multigerelateerde regulering van een aantal parameters. Dit vereiste het oplossen van de problemen van het identificeren van technologische processen, hun onderlinge relatie en controleerbaarheid volgens de door technologen voorgestelde parameters als gereguleerd. Met de hulp van MPSU kunnen de volgende hoofdtaken worden opgelost in de complexe automatisering van de textielproductie.

1. Informatie en meting, waardoor de verzameling van uitgebreide informatie wordt gewaarborgd; geluidsimmuniteit; noodzakelijke verwerking van statistische gegevens, softwarematige correctie van meetfouten, automatische diagnostiek en zelfkalibratie van het meetsysteem. Tegelijkertijd biedt de programmeerbare bedieningslogica van de MPSU flexibiliteit bij herconfiguratie en kunt u de functies van het systeem tijdens modernisering uitbreiden zonder noemenswaardige circuitwijzigingen.

2. Regulering van technologische parameters en werkingsmodi van apparatuur, waardoor parameters die door technologen worden gereguleerd op een bepaalde waarde kunnen worden gehouden of kunnen worden gewijzigd om te voldoen aan optimalisatievoorwaarden in systemen van meervoudig verbonden besturings-, tijdsnelheid-, energie- en kwaliteitsindicatoren. De kwaliteit van de regeling wordt in ieder geval bepaald door de betrouwbaarheid van metingen en ontvangen informatie.

3. Controle van de bedieningsmodi van technologische apparatuur en robotica, voornamelijk geïmplementeerd in de vorm van automatische operators of automatische manipulatoren die bewerkingen uitvoeren, bijvoorbeeld het laden en lossen van vezelbalen, kettingrollen en weefbalken, het verwijderen en installeren van klossen op spoelen en spinmachines , het vullen van spinstations met cartridges, tape piecing en knopen, enz.

De coördinatie van de werking van alle bedieningselementen van de procesapparatuur, inclusief de regeling van signaalstromen in tijd en ruimte en de verwerking ervan, wordt uitgevoerd door een centraal besturingsapparaat. Moderne centrale besturingsapparaten zijn elektronisch en zijn onderverdeeld in universele apparaten die gebruik maken van microcomputers en gespecialiseerde apparaten die microcontrollers, microprocessors en logische circuits gebruiken.

Het gebruik van het principe van programmacontrole in automatische besturingssystemen en het verzamelen van gegevens over de status van systemen in combinatie met microprocessors heeft hun functionaliteit aanzienlijk vergroot, gezorgd voor grotere flexibiliteit, lagere kosten en omvang, grotere betrouwbaarheid, weerstand tegen ongunstige omgevingsomstandigheden en andere operationele omstandigheden. kenmerken.

Microprocessors en daarop gebaseerde microcontrollers worden veel gebruikt in digitale meetinstrumenten en -systemen, wat de invoer en uitvoer van gegevens, waarschuwingssignalen of commando's naar het display vereenvoudigt, evenals het automatisch schalen van deze parameters. Microprocessors kunnen zorgen voor zelftesten en zelfkalibratie, controle van de gegevensconsistentie, communicatie met een microcomputer of computergestuurde instrumenten, en automatische middeling van meetwaarden. Microprocessors en daarop gebaseerde microcontrollers beschikken echter over een kleiner volume aan standaardsoftware, een reeks randapparatuur en interfacemogelijkheden dan microcomputers.

Microprocessors hebben ook toepassing gevonden in terminals, microcomputernetwerken, berichtschakelmodules, repeaters, opslagsystemen voor gegevensoverdracht, coderings- en decoderingsapparaten, draagbare communicatiesystemen, beveiligingssystemen en modems.

Microprocessors worden gebruikt in microcomputersysteemeenheden, invoer-/uitvoercontrollers en andere randapparatuur. Microcontrollers in randapparatuur maken het mogelijk dat veel taken op de randapparatuur worden uitgevoerd, waardoor de CPU vrijkomt om andere taken uit te voeren.

Microprocessors, microcontrollers en microcomputers worden gebruikt in textielapparatuur: in datacontrolesystemen, kwaliteitscontrole-installaties, automatische weeg- en doseersystemen, besturing van units/machines, bepaling van de krulgraad, controllers die individuele handelingen aansturen, bijvoorbeeld spanning van garens, tapes, stoffen enz., sorteerapparaten, laad- en losapparaten, terminals en automatische diagnoseapparaten.

Opgemerkt moet worden dat bij het aansturen van technologische processors in de textielindustrie een relatief groot aantal instelbare parameters en de complexiteit van besturingsalgoritmen het gebruik van krachtige microcomputers vereisen. Microprocessors worden gebruikt in gedistribueerde systemen waarin algoritmen voor het beheer van objecten ter plaatse worden geïmplementeerd en gegevens worden voorbereid voor microcomputers, wat de betrouwbaarheid van systemen vergroot onder omstandigheden van industriële interferentie.

In de nieuwste modellen microprocessors is het besturingssysteem geheel of gedeeltelijk geïmplementeerd in hardware op basis van flash-geheugen, wat het proces van het beheer van industriële faciliteiten optimaliseert.

Digitaal-naar-analoog-omzetter(DAC) – een apparaat dat een digitaal ingangssignaal (code) omzet in analoog.

De DAC wordt veel gebruikt waar het nodig is om, met behulp van digitale informatie van een computer, analoge apparaten te besturen, bijvoorbeeld om een klep te bewegen die proportioneel is aan de berekende waarde van het digitale signaal. DAC's worden gebruikt om computers (DC's) te coördineren met analoge apparaten, als interne componenten van ADC's en digitale meetinstrumenten. Als onderdeel van analoog-digitaalomzetters wordt de DAC gebruikt om een analoog signaal (stroom of spanning) te genereren, waarmee het geconverteerde signaal wordt vergeleken.

Het belangrijkste kenmerk van de DAC is de resolutie, bepaald door het aantal bits N. Theoretisch gezien een DAC die converteert N-bit binaire codes, moeten 2 bevatten N verschillende uitgangssignaalwaarden met resolutie (2 N– 1)-1. De absolute waarde van het minimale uitgangsspanningsquantum wordt bepaald als het maximaal geaccepteerde getal 2 N– 1, en de maximale uitgangsspanning van de DAC, de zogenaamde schaalspanning U school Met 12 bits is het aantal onafhankelijke quanta (stappen) van de DAC-uitgangsspanning dus 212 – 1 = 0,0245%. Referentie-geselecteerde schaalspanning U shk = 10B, gedeeld door dit aantal quanta, geeft de absolute resolutie van de DAC

D X = U shk/(2 N– 1) = 103 mV/ (212 – 1) = 2,45 mV.

Conversiekenmerk(HP) DAC– reeks waarden van de analoge uitvoerhoeveelheid xi afhankelijk van de invoercode b i.

De conversiekarakteristiek (of overdrachtskarakteristiek) van de DAC wordt getoond in Fig. 3.15.

Rijst. 3.15. DAC-overdrachtskarakteristiek; A– lineariteit; B– niet-lineariteit; C– niet-monotoniteit; D– uitgangssignaal; E– een rechte lijn die de ideale waarden van de uitgangssignaalniveaus verbindt; dпш – volledige fout

Het verschil tussen de werkelijke resolutiewaarde en de theoretische waarde is te wijten aan de fouten van de knooppunten en de ruis van de DAC. De nauwkeurigheid van de DAC wordt bepaald door de waarden van de absolute fout van het apparaat, niet-lineariteit en differentiële niet-lineariteit.

De absolute fout dshk vertegenwoordigt de afwijking van de waarde van de uitgangsspanning (stroom) van de nominale berekende waarde die overeenkomt met het eindpunt van de conversiekarakteristiek (zie Fig. 3.15). Absolute fouten worden gewoonlijk gemeten in eenheden van het minst significante cijfer (LSB).

Niet-lineariteit dl karakteriseert de identiteit van de minimale stappen van het uitgangssignaal over het gehele conversiebereik en wordt gedefinieerd als de grootste afwijking van het uitgangssignaal van een rechte lijn met absolute nauwkeurigheid getrokken door nul en het punt van de maximale waarde van het uitgangssignaal . De niet-lineariteitswaarde mag de ±0,5 MZ-eenheid niet overschrijden.

Differentiële niet-lineariteit dl.dif karakteriseert de identiteit van aangrenzende signaalincrementen. Het wordt gedefinieerd als het minimale verschil in de niet-lineariteitsfout van twee aangrenzende quanta in het uitgangssignaal. De waarde van de differentiële niet-lineariteit mag niet groter zijn dan tweemaal de waarde van de niet-lineariteitsfout. Als de waarde van dl.dif groter is dan één MZR, wordt de omzetter als niet-monotoon beschouwd, d.w.z. aan de uitgang kan het uitgangssignaal niet uniform toenemen met een uniforme toename van de ingangscode.

Niet-monotoniciteit in sommige quanta resulteert in een afname van het uitgangssignaal naarmate de ingangscode toeneemt.

De hardwarefout, bepaald door de instabiliteit van de referentiespanningsbron, de fout van de schakelaars, resistieve matrices en operationele uitgangsversterkers, wordt de instrumentele fout genoemd. De belangrijkste factoren die elementfouten veroorzaken zijn: technologische variatie in parameters; de impact van veranderingen in het milieu (vooral temperatuur); veranderingen in parameters in de loop van de tijd (veroudering); blootstelling aan externe en interne ruis en interferentie.

Alle instrumentele fouten manifesteren zich voornamelijk in de volgende vormen:

a) nul-offset, die de parallelle verschuiving van de DAC-overdrachtskarakteristiek ten opzichte van de gemiddelde rechte lijn karakteriseert (veroorzaakt door de nul-offsetspanning en de niet-nul ingangsstroom van de op-amp, evenals de resterende parameters van de schakelaars) ;

b) veranderingen in de transmissiecoëfficiënt, die de afwijking van de helling van de werkelijke transmissiekarakteristiek ten opzichte van de gemiddelde rechte lijn karakteriseert;

c) afwijkingen van de overdrachtskarakteristiek van de omzetter ten opzichte van de ideale rechte lijn (een dergelijke niet-lineariteit van de conversie manifesteert zich als niet-identieke toenames van het uitgangssignaal als functie van de ingangscode).

De dynamische kenmerken van de DAC omvatten timingparameters en maximale conversiefrequentie.

Timingparameters bepalen de snelheid van de converters. Er zijn drie tijdparameters: kwantiseringsstap (periode) D T, conversietijd (bezinkingstijd van het uitgangssignaal) T pr, duur van de conversiecyclus T C.

Kwantiseringsstap (periode) D T– tijdsinterval tussen twee opeenvolgende transformaties. De inverse waarde van de kwantiseringsperiode 1/D T = F kV wordt de kwantiseringsfrequentie genoemd.

Insteltijd DAC-uitgang T pr – tijd vanaf het moment dat de code verandert bij de DAC-ingangen tot het moment waarop de waarde van de analoge uitgangswaarde met een bepaalde waarde verschilt van de vastgestelde waarde (Fig. 3.16).

Rijst. 3.16. Definitie van tijd T pr DAC-conversie

Conversiecyclustijd T ts – tijd tussen het moment van indiening van de invoercode en de uitgifte van het analoge uitgangssignaal ( T ts = T pr). Het wordt voornamelijk bepaald door cyclogrammen en timingdiagrammen die de werking beschrijven van informatie- en computerapparatuur en -systemen met bestaande converters.

Maximale conversiefrequentie – de hoogste bemonsteringsfrequentie waarbij de DAC-parameters overeenkomen met de opgegeven waarden.

De werking van de DAC gaat vaak gepaard met specifieke transiënte pulsen, dit zijn scherpe pieken met een grote amplitude in het uitgangssignaal, die ontstaan als gevolg van het verschil in de openings- en sluitingstijden van de analoge schakelaars in de DAC. Uitschieters zijn vooral duidelijk wanneer een eenheid, in plaats van een nul in het meest significante cijfer en enen in de lagere cijfers van de code, het meest significante cijfer (MSB) invoert en de code in de LSB “allemaal nullen” is. Als de invoercode 011...111 bijvoorbeeld wordt vervangen door code 10...000, en de sleutel van de hogere DAC opent later dan de sleutels van de lagere sluiten, dan is een toename van het uitgangssignaal met slechts één quantum kan gepaard gaan met een puls met een amplitude van 0,5 U school De duur van deze piek komt overeen met de vertraging in de verandering in de status van de sleutels.

Momenteel worden, afhankelijk van de parameterwaarden, precisie- en hogesnelheids-DAC's onderscheiden. Precisie-DAC's hebben dl = 0,1%, en snelle DAC's T mond = 100 ns.

DAC– digitaal-naar-analoog-omzetters – apparaten die zijn ontworpen om een discreet (digitaal) signaal om te zetten in een continu (analoog) signaal. De conversie wordt uitgevoerd in verhouding tot de binaire code van het signaal.

DAC-classificatie

Op type uitgangssignaal: met stroomuitgang en spanningsuitgang;

Op type digitale interface: met seriële invoer en met parallelle invoer van invoercode;

Door het aantal DAC's op de chip: enkelkanaals en meerkanaals;

Door snelheid: gematigde snelheid en hoge snelheid.

Basis DAC-parameters:

1. N – bitdiepte.

2. Maximale uitgangsstroom.

4. De grootte van de referentiespanning.

5. Resolutie.

6. Stuurspanningsniveaus (TTL of CMOS).

7. Conversiefouten (nul-offsetfout bij uitvoer, absolute conversiefout, niet-lineariteit van de conversie, differentiële niet-lineariteit). 8. Conversietijd – het tijdsinterval vanaf het moment dat de code wordt gepresenteerd (verzonden) tot het moment dat het uitgangssignaal verschijnt.

9. Insteltijd analoog signaal

De belangrijkste elementen van de DAC zijn:

Resistieve matrices (een set verdelers met een bepaalde TCR, met een bepaalde afwijking van 2%, 5% of minder) kunnen in de IC worden ingebouwd;

Schakelaars (op bipolaire of MOS-transistors);

Referentie spanningsbron.

Basiscircuits voor het bouwen van een DAC.

21. ADC. Algemene bepalingen. Bemonsteringsfrequentie. ADC-classificatie. Werkingsprincipe van parallelle ADC.

Afhankelijk van de werkingssnelheid zijn ADC's onderverdeeld in:

1. Parallelle conversie-ADC's (parallelle ADC's) - snelle ADC's, hebben complex hardwaregebruik van de GHz-eenheid. resolutie N = 8-12 bits, Fg = tientallen MHz

2. ADC met opeenvolgende benadering (opeenvolgend tellen) tot 10 MHz. resolutie N = 10-16 bits, Fg = tientallen kHz

3. Integratie van ADC’s van honderden Hz.resolutie N = 16-24 bits, Fg = tientallen

4. Sigma-delta ADC-eenheden MHz.resolutie N = 16-24 bits, Fg = honderden Hz

22. Serieel tellen ADC. Werkingsprincipe.

23. ADC van opeenvolgende benaderingen. Werkingsprincipe.

Deze code uit de uitgang van de RPP wordt naar de DAC gevoerd, die de bijbehorende spanning 3/4Uinmax produceert, die wordt vergeleken met Uin (op de CC) en het resultaat wordt met de vierde klokpuls naar hetzelfde bit geschreven. Het proces gaat vervolgens door totdat alle cijfers zijn geanalyseerd.

SAR ADC-conversietijd:

tpr = 2nTG, waarbij TG de pulsherhalingsperiode van de generator is; n – ADC-bitcapaciteit.

Dergelijke ADC's zijn qua snelheid inferieur aan ADC's van het parallelle type, maar ze zijn goedkoper en verbruiken minder stroom. Voorbeeld: 1113PV1.

24. Werkingsprincipe van een integrerend type ADC.

Het werkingsprincipe van een integrerende ADC is gebaseerd op twee basisprincipes:

1. Ingangsspanning omzetten in frequentie of pulsduur (tijd)

Uin → f (VLF – spanningsfrequentieomvormer)

2. Converteer frequentie of duur (tijd) naar digitale code

f → N; T → N.

De belangrijkste fout wordt veroorzaakt door VLF.

Dit type ADC voert de conversie uit in twee fasen.

In de eerste fase wordt het analoge ingangssignaal geïntegreerd en deze geïntegreerde waarde wordt omgezet in een pulsreeks. De herhalingssnelheid van pulsen in deze reeks of hun duur wordt gemoduleerd door de geïntegreerde waarde van het ingangssignaal.

In de tweede fase wordt deze reeks pulsen omgezet in een digitale code - de frequentie of pulsduur wordt gemeten.

DAC met pulsbreedtemodulatie

Serieel geschakelde condensator DAC

Parallelle DAC's

DAC met optelling van gewichtsstromen
DAC op huidige bronnen
Vorming van het uitgangssignaal in de vorm van spanning
Parallel geschakelde condensator DAC
DAC met spanningsoptelling

D/A-converterinterfaces

Seriële ingang DAC
Parallelle ingang DAC

DAC-applicatie

Omgaan met ondertekende nummers
Vermenigvuldigers en delers van functies
Verzwakkers en integratoren op DAC's
Systemen voor directe digitale signaalsynthese

DAC-parameters

Digitaal-naar-analoog omzetters

Een digitaal-analoogomzetter (DAC) is ontworpen om een getal, meestal gedefinieerd als een binaire code, om te zetten in een spanning of stroom die evenredig is aan de waarde van de digitale code. De circuits van digitaal-naar-analoog-omzetters zijn zeer divers. In afb. Figuur 1 toont een classificatieschema van de DAC volgens zijn circuitkarakteristieken. Bovendien worden IC's van digitaal-naar-analoog-omzetters geclassificeerd volgens de volgende criteria:

Op type uitgangssignaal: met stroomuitgang en spanningsuitgang
Per type digitale interface: met seriële invoer en met parallelle invoer van invoercode
Op basis van het aantal DAC's op de chip: enkelkanaals en meerkanaals
Op snelheid: gemiddelde en hoge snelheid

Rijst. 1. DAC-classificatie

DAC met optelling van gewichtsstromen

De meeste parallelle DAC-circuits zijn gebaseerd op de optelling van stromen, waarvan de sterkte evenredig is met het gewicht van het digitale binaire bit, en alleen de bitstromen waarvan de waarde gelijk is aan 1 moeten worden opgeteld, stel dat je dat wilt om een vier-bits binaire code om te zetten in een analoog stroomsignaal. Het gewicht van het vierde, meest significante cijfer (MSB) is 2 3 =8, het derde cijfer is 2 2 =4, het tweede is 2 1 =2 en het minst significante cijfer is 2 0 =1. Als het gewicht van de MZR I MZR = 1 mA dus I SZR =8 mA, en de maximale uitgangsstroom van de omzetter I uitgang max = 15 mA en komt overeen met code 1111 2. Het is duidelijk dat de code 1001 2 bijvoorbeeld zal overeenkomen I uit =9 mA, enz. Bijgevolg is het noodzakelijk een circuit te construeren dat het genereren en schakelen van nauwkeurige weegstromen volgens bepaalde wetten garandeert. Het eenvoudigste diagram dat dit principe implementeert, wordt getoond in Fig. 3.

MET De weerstanden van de weerstanden zijn zo gekozen dat wanneer de schakelaars gesloten zijn, er een stroom doorheen stroomt die overeenkomt met het gewicht van de ontlading. De sleutel moet gesloten worden als de corresponderende bit van het ingangswoord gelijk is aan één. De uitgangsstroom wordt bepaald door de relatie

Bij een hoge bitcapaciteit van de DAC moeten de stroominstelweerstanden met hoge nauwkeurigheid worden afgestemd. De strengste nauwkeurigheidseisen worden gesteld aan weerstanden met de hoogste cijfers, omdat de spreiding van de stromen daarin de stroom van het lage cijfer niet mag overschrijden. Daarom verspreidde de weerstand zich k-de cijfer moet kleiner zijn dan

R/R=2 – k

Uit deze voorwaarde volgt dat de spreiding van de weerstandsweerstand, bijvoorbeeld in het vierde cijfer, niet groter mag zijn dan 3%, en in het 10e cijfer – 0,05%, enz.

Het overwogen schema heeft, ondanks al zijn eenvoud, een hele reeks nadelen. Ten eerste zal voor verschillende ingangscodes de door de referentiespanningsbron (RPS) verbruikte stroom verschillend zijn, en dit zal de waarde van de uitgangsspanning RES beïnvloeden. Ten tweede kunnen de weerstandswaarden van gewichtsweerstanden duizenden keren verschillen, en dit maakt het erg moeilijk om deze weerstanden in halfgeleider-IC's te implementeren. Bovendien kan de weerstand van de hogere orde weerstanden in multi-bit DAC's vergelijkbaar zijn met de weerstand van de gesloten schakelaar, en dit zal tot een conversiefout leiden. Ten derde wordt in dit circuit een aanzienlijke spanning toegepast op de open schakelaars, wat hun constructie ingewikkelder maakt.

Deze tekortkomingen werden geëlimineerd in het AD7520 DAC-circuit (binnenlands analoog van 572PA1), ontwikkeld door Analog Devices in 1973, dat nu in wezen een industriestandaard is (veel seriële DAC-modellen worden er volgens gemaakt). Het aangegeven diagram wordt getoond in Fig. 4. MOS-transistors worden hier gebruikt als schakelaars.

Rijst. 4. DAC-circuit met schakelaars en constante impedantiematrix

In dit circuit wordt de instelling van de wegingscoëfficiënten van de omzettrappen uitgevoerd door het sequentieel delen van de referentiespanning met behulp van een resistieve matrix met constante impedantie. Het belangrijkste element van een dergelijke matrix is een spanningsdeler (Fig. 5), die aan de volgende voorwaarde moet voldoen: als deze is belast met weerstand R n, en vervolgens de ingangsimpedantie R inx moet ook de waarde aannemen R N. Kettingverzwakkingscoëfficiënt = U 2 /U 1 bij deze belasting moet de opgegeven waarde hebben. Wanneer aan deze voorwaarden is voldaan, verkrijgen we de volgende uitdrukkingen voor weerstanden:

in overeenstemming met figuur 4.

Omdat in elke positie van de schakelaars S k ze verbinden de onderste klemmen van de weerstanden met de gemeenschappelijke circuitbus, de referentiespanningsbron wordt geladen met een constante ingangsimpedantie R binnen = R. Dit zorgt ervoor dat de referentiespanning voor elke DAC-ingangscode onveranderd blijft.

Volgens afb. 4 worden de uitgangsstromen van de schakeling bepaald door de relaties

en de ingangsstroom

Omdat de onderste klemmen van de weerstanden 2 R matrices voor elke schakeltoestand S k verbonden met de gemeenschappelijke circuitbus via de lage weerstand van de gesloten schakelaars, zijn de spanningen op de schakelaars altijd klein, binnen enkele millivolt. Dit vereenvoudigt de constructie van schakelaars en stuurcircuits en maakt het gebruik van referentiespanningen uit een breed bereik mogelijk, inclusief verschillende polariteiten. Omdat de DAC-uitgangsstroom afhankelijk is van U Op lineair (zie (8)), kunnen omvormers van dit type worden gebruikt om een analoog signaal te vermenigvuldigen (door dit toe te passen op de referentiespanningsingang) met een digitale code. Dergelijke DAC's worden genoemd vermenigvuldigen(MDAC).

De nauwkeurigheid van dit circuit wordt verminderd doordat het voor DAC's met een hoog bit noodzakelijk is om de weerstand aan te passen R 0 schakelaars met ontlaadstromen. Dit is vooral belangrijk voor sleutels van hoge orde. In de 10-bits AD7520 DAC zijn de belangrijkste MOSFET's van de zes belangrijkste bits bijvoorbeeld verschillend gemaakt qua oppervlak en weerstand. R 0 neemt toe volgens de binaire code (20, 40, 80, ..., 640 Ohm). Op deze manier worden de spanningsvallen over de schakelaars van de eerste zes bits gelijk gemaakt (tot 10 mV), wat monotoniciteit en lineariteit van de DAC-transiënte respons garandeert. De 12-bits DAC 572PA2 heeft een differentiële niet-lineariteit van maximaal 0,025% (1 LSB).

Ministerie van Onderwijs en Wetenschap van Oekraïne

Nationale Maritieme Academie van Odessa

Afdeling Maritieme Elektronica

in de discipline "Systemen voor het verzamelen en verwerken van telemetrische informatie"

"Digitaal-naar-analoog converters"

Voltooid:

set van FEM en RE

groepen 3131

Strukov S.M.

Gecontroleerd: Art. docent

Kudelkin I.N.

Odessa – 2007

1. Inleiding

2. Algemene informatie

3. Seriële DAC's

4. Parallelle DAC's

5. Toepassing van DAC

6. DAC-parameters

7. Lijst met referenties

INVOERING

De afgelopen decennia zijn te danken aan de wijdverbreide introductie van micro-elektronica en computertechnologie in de nationale economie, waarbij de uitwisseling van informatie wordt verzekerd door lineaire analoge en digitale omzetters (ADC en DAC).

Het moderne stadium wordt gekenmerkt door grote en ultragrote geïntegreerde schakelingen, DAC's en ADC's, met hoge prestatieparameters: snelheid, kleine fouten, multi-bit. De opname van een LSI DAC en ADC als een enkele, functioneel complete eenheid vereenvoudigde de implementatie ervan in apparaten en installaties die zowel in wetenschappelijk onderzoek als in de industrie worden gebruikt, en maakte het mogelijk om snel informatie uit te wisselen tussen analoge en digitale apparaten.

Algemene informatie

o Op type uitgangssignaal: met stroomuitgang en spanningsuitgang.

o Per type digitale interface: met seriële invoer en met parallelle invoer van de invoercode.

o Op basis van het aantal DAC's op de chip: enkelkanaals en meerkanaals.

o Op snelheid: matige en hoge snelheid.

Rijst. 1. DAC-classificatie

SERIËLE DAC's

DAC met pulsbreedtemodulatie

Heel vaak maakt een DAC deel uit van microprocessorsystemen. Als er in dit geval geen hoge snelheid vereist is, kan de digitaal-naar-analoog-conversie heel eenvoudig worden gerealiseerd met behulp van pulsbreedtemodulatie (PWM). Het DAC-circuit met PWM wordt getoond in Fig. 1a.

Rijst. 1. DAC met pulsbreedtemodulatie

Digitaal-naar-analoog-conversie wordt het eenvoudigst georganiseerd als de microcontroller een ingebouwde pulsbreedte-conversiefunctie heeft (bijvoorbeeld AT90S8515 van Atmel of 87C51GB van Intel). PWM-uitgang bestuurt de schakelaar S. Afhankelijk van de gespecificeerde conversiebitdiepte (voor de AT90S8515-controller zijn 8-, 9- en 10-bit-modi mogelijk) genereert de controller, met behulp van zijn timer/teller, een reeks pulsen, waarvan de relatieve duur g = T En / T wordt bepaald door de relatie

Waar N- conversiebitdiepte, en D- geconverteerde code. Een laagdoorlaatfilter verzacht de pulsen en benadrukt de gemiddelde spanningswaarde. Als gevolg hiervan neemt de uitgangsspanning van de omzetter toe

Het beschouwde circuit biedt een bijna ideale lineariteit van de conversie en bevat geen precisie-elementen (behalve de referentiespanningsbron). Het grootste nadeel is de lage prestatie.

Serieel geschakelde condensator DAC

Het hierboven besproken PWM DAC-circuit zet de digitale code eerst om in een tijdsinterval, dat wordt gegenereerd met behulp van een binaire teller, kwantum voor kwantum, om zo te verkrijgen N- 2 bit-conversies vereist N tijdkwanta (cycli). Het seriële DAC-circuit getoond in Fig. 2 maakt het mogelijk dat digitaal-naar-analoog-conversie in aanzienlijk minder klokcycli wordt uitgevoerd.

In dit circuit zijn de condensatorcapaciteiten MET 1 en MET 2 zijn gelijk. Voordat de conversiecyclus begint, wordt de condensator MET 2 wordt gelost met een sleutel S 4. Het binaire invoerwoord wordt gespecificeerd als een seriële code. De conversie wordt opeenvolgend uitgevoerd, beginnend bij het minst significante cijfer D 0. Elke conversiecyclus bestaat uit twee halve cycli. In de eerste halve cyclus de condensator MET 1 laadt op tot referentiespanning U op bij D 0 =1 door de sleutel te sluiten S 1 of ontlaadt naar nul bij D 0 =0 door de sleutel te sluiten S 2. In de tweede halve cyclus met de sleutels open S 1 ,S 2 en S 4 sleutels sluiten S 3, waardoor de lading in tweeën wordt gedeeld MET 1 en MET 2. Als resultaat krijgen we

U 1 (0)=U uit (0)=( D 0 /2)U op

Terwijl op de condensator MET 2 lading blijft gehandhaafd, procedure voor het opladen van de condensator MET 1 moet worden herhaald voor het volgende cijfer D 1 invoerwoord. Na een nieuwe oplaadcyclus zal de spanning op de condensatoren gelijk zijn

De transformatie wordt op dezelfde manier uitgevoerd voor de resterende bits van het woord. Als resultaat voor N-bit DAC-uitgangsspanning zal gelijk zijn aan

Als u het resultaat van de conversie voor langere tijd wilt bewaren, moet u een UVH op de uitgang van de schakeling aansluiten. Na het einde van de conversiecyclus moet u een bemonsteringscyclus uitvoeren, de UVH in de opslagmodus zetten en de conversie opnieuw starten.

Het gepresenteerde circuit transformeert dus de invoercode in 2 N quanta, wat aanzienlijk minder is dan die van een PWM DAC. Hier zijn slechts twee op elkaar afgestemde kleine condensatoren nodig. De configuratie van het analoge deel van de schakeling is niet afhankelijk van de bitdiepte van de geconverteerde code. Qua prestaties is een seriële DAC echter aanzienlijk inferieur aan parallelle digitaal-naar-analoog converters, wat het toepassingsgebied ervan beperkt.

De meeste parallelle DAC-circuits zijn gebaseerd op de optelling van stromen, waarvan de sterkte evenredig is met het gewicht van het digitale binaire bit, en alleen de bitstromen waarvan de waarde gelijk is aan 1 moeten worden opgeteld, stel dat je dat wilt om een vier-bits binaire code om te zetten in een analoog stroomsignaal. Het gewicht van het vierde, meest significante cijfer (MSD) is 2 3 =8, het derde cijfer - 2 2 =4, het tweede - 2 1 =2 en het minst significante (LSB) - 2 0 =1. Als het gewicht van de SZR I MZR = 1 mA, dan I SZR = 8 mA, en de maximale uitgangsstroom van de omzetter I out.max = 15 mA en komt overeen met code 1111 2. Het is duidelijk dat code 1001 2 bijvoorbeeld overeenkomt met I out = 9 mA, enz. Bijgevolg is het noodzakelijk een circuit te construeren dat het opwekken en schakelen van nauwkeurige weegstromen volgens bepaalde wetten garandeert. Het eenvoudigste diagram dat dit principe implementeert, wordt getoond in Fig. 3.

De weerstand van de weerstanden is zo gekozen dat wanneer de schakelaars gesloten zijn, er een stroom doorheen stroomt die overeenkomt met het gewicht van de ontlading. De sleutel moet worden gesloten als de corresponderende bit van het ingangswoord gelijk is aan één. De uitgangsstroom wordt bepaald door de relatie

Bij een hoge bitcapaciteit van de DAC moeten de stroominstelweerstanden met hoge nauwkeurigheid worden afgestemd. De strengste nauwkeurigheidseisen worden gesteld aan weerstanden met de hoogste cijfers, omdat de spreiding van de stromen daarin de stroom van het lage cijfer niet mag overschrijden. Daarom moet de spreiding van de weerstand bij de k-de ontlading kleiner zijn dan

Uit deze voorwaarde volgt dat de spreiding van de weerstandsweerstand, bijvoorbeeld in het vierde cijfer, niet groter mag zijn dan 3%, en in het 10e cijfer - 0,05%, enz.