Wat vormt de basis van het DAC-circuit. Moderne digitaal-naar-analoog converters DAC

PWM-DAC

Geschakelde condensator seriële 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

  Sommatie DAC

Digitaal-naar-analoog-converterinterfaces

• DAC met seriële invoergegevens

  DAC met parallelle invoergegevensinterface

DAC-toepassing

• Omgaan met ondertekende nummers

  Vermenigvuldigers en delers van functies

  DAC-verzwakkers en -integrators

  Directe digitale signaalsynthesesystemen

DAC-parameters:

Digitaal-naar-analoog converters

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

• Op type uitgangssignaal: met stroomuitgang en spanningsuitgang

  Door het type digitale interface: met seriële invoer en met parallelle invoer van de invoercode

  Door het aantal DAC's op een chip: single-channel en multichannel

  Op snelheid: matige en hoge snelheid

Rijst. 1. DAC-classificatie

DAC met optelling van gewichtsstromen

De meeste parallelle DAC's zijn gebaseerd op de optelling van stromen, waarvan de sterkte evenredig is met het gewicht van de digitale bit, en alleen bitstromen met waarden gelijk aan 1 mogen worden opgeteld. zet een binaire vier-bits code om in een analoog stroomsignaal. Voor het vierde, meest significante cijfer (SZR) is het gewicht gelijk aan 2 3 = 8, voor het derde cijfer - 2 2 = 4, voor het tweede - 2 1 = 2 en voor het minst significante (LSD) - 2 0 = 1. Als het gewicht van de MZR lМЗР = 1 mA, dan lСЗР = 8 mA, en de maximale uitgangsstroom van de omvormer l uitgang max = 15 mA en komt overeen met code 1111 2. Het is duidelijk dat de code 1001 2 bijvoorbeeld overeenkomt met: l uit = 9 mA, enz. Daarom is het nodig om een ​​circuit te bouwen dat zorgt voor opwekking en schakeling volgens de gegeven wetten van exacte gewichtsstromen. De eenvoudigste schakeling die dit principe implementeert, wordt getoond in Fig. 3.

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

Met een hoge cijfercapaciteit van de DAC moeten de huidige instelweerstanden met hoge nauwkeurigheid worden afgestemd. De strengste nauwkeurigheidseisen worden gesteld aan weerstanden van hoge orde, omdat de spreiding van stromen daarin de ontlaadstroom van lage orde niet mag overschrijden. Daarom is de verspreiding van weerstand in k-de cijfer moet kleiner zijn dan

R/R=2 – k

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

Het weloverwogen schema heeft, ondanks al zijn eenvoud, een hele reeks nadelen. Ten eerste, met verschillende ingangscodes, zal de stroom die wordt verbruikt door de referentiespanningsbron (RV) anders zijn, en dit zal de waarde van de RV-uitgangsspanning beïnvloeden. Ten tweede kunnen de waarden van de weerstanden van de weegweerstanden duizenden keren verschillen, en dit maakt het erg moeilijk om deze weerstanden in halfgeleider-IC's te implementeren. Bovendien kan de weerstand van hoge-orde weerstanden in multi-bit DAC's evenredig zijn met de weerstand van een gesloten schakelaar, en dit zal leiden tot een conversiefout. Ten derde wordt in dit circuit een aanzienlijke spanning aangelegd op de open schakelaars, wat hun constructie bemoeilijkt.

Deze nadelen worden geëlimineerd in het AD7520 DAC-circuit (binnenlands analoog van 572PA1), ontwikkeld door Analog Devices in 1973, dat nu in wezen een industriële standaard is (veel seriële DAC-modellen zijn erop gebaseerd). Het aangegeven schema wordt getoond in Fig. 4. MOS-transistoren worden gebruikt als sleutels.

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

In dit schema wordt de instelling van de wegingscoëfficiënten van de converterstappen uitgevoerd door de referentiespanning achtereenvolgens te delen 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 op weerstand is geladen R n, dan zijn ingangsimpedantie R inx moet ook de waarde aannemen R N. Ketenverzwakkingscoëfficiënt  = jij 2 /jij 1 bij deze belasting moet een bepaalde waarde hebben. Wanneer aan deze voorwaarden is voldaan, verkrijgen we de volgende uitdrukkingen voor de weerstanden:

volgens afb. 4.

Omdat in elke positie van de schakelaars S k ze verbinden de onderste klemmen van de weerstanden met de gemeenschappelijke bus van het circuit, de referentiespanningsbron wordt geladen op een constante ingangsweerstand R in = R... Dit zorgt ervoor dat de referentiespanning constant blijft voor elke DAC-ingangscode.

Volgens afb. 4, de uitgangsstromen van het circuit worden bepaald door de verhoudingen:

en de ingangsstroom

Aangezien de onderste klemmen van de weerstanden 2 R matrices voor elke staat van schakelaars S k verbonden met de gemeenschappelijke bus van het circuit via een lage weerstand van gesloten toetsen, zijn de spanningen op de toetsen altijd klein, binnen enkele millivolts. Dit vereenvoudigt de constructie van schakelaars en regelcircuits en maakt het gebruik van een referentiespanning uit een breed bereik mogelijk, inclusief die met verschillende polariteit. Aangezien de DAC-uitgangsstroom afhankelijk is van: jij op lineair (zie (8)), kunnen omvormers van dit type worden gebruikt om een ​​analoog signaal te vermenigvuldigen (het naar de referentiespanningsingang te voeren) met een digitale code. Dergelijke DAC's heten vermenigvuldigen(MDAC).

De nauwkeurigheid van dit circuit wordt verminderd door het feit dat het voor DAC's met een hoge bitcapaciteit noodzakelijk is om de weerstand te evenaren R 0 toetsen met ontlaadstromen. Dit is vooral belangrijk voor sleutels van hoge orde. In de 10-bit AD7520 DAC zijn de belangrijkste MOSFET's van de zes belangrijkste bits bijvoorbeeld verschillend qua oppervlakte en weerstand R 0 loopt op volgens de binaire code (20, 40, 80,..., 640 ohm). Op deze manier worden de spanningsdalingen over de toetsen van de eerste zes cijfers gelijk gemaakt (tot 10 mV), wat zorgt voor de monotonie en lineariteit van de DAC-transiëntrespons. 12-bits DAC 572PA2 heeft differentiële niet-lineariteit tot 0,025% (1 LSB).

College nummer 3

"Analoog-naar-digitaal en digitaal-naar-analoog conversie".

In microprocessorsystemen fungeert een analoog-naar-digitaalomzetter (ADC) als een pulselement en een digitaal-naar-analoogomzetter (DAC) als een extrapolator.

Analoog naar digitaal conversie bestaat uit het omzetten van de informatie in een analoog signaal in een digitale code ... Digitaal-naar-analoog conversie ontworpen om de inverse taak uit te voeren, d.w.z. zet een getal, weergegeven als een digitale code, om in een equivalent analoog signaal.

ADC's worden meestal geïnstalleerd in feedbacklussen van digitale besturingssystemen om analoge feedbacksignalen om te zetten in codes die worden waargenomen door het digitale deel van het systeem. Dat. ADC's voeren verschillende functies uit, zoals tijdsampling, niveaukwantisering en codering. Een algemeen blokschema van de ADC wordt getoond in figuur 3.1.

Een signaal in de vorm van een stroom of spanning wordt naar de ADC-ingang gevoerd, die tijdens de conversie wordt gekwantiseerd door het niveau. De ideale statische respons voor een 3-bit ADC wordt weergegeven in figuur 3.2.

Ingangssignalen kunnen elke waarde aannemen in het bereik van - U max tot U max , en de uitgangen komen overeen met acht (2 3) discrete niveaus. De waarde van de ingangsspanning waarbij er een overgang is van de ene lezing van de ADC-uitgangscode naar een andere aangrenzende waarde wordt genoemd intercode junctie spanning... Het verschil tussen twee aangrenzende waarden van code-overgangen wordt genoemd kwantiseringsstap of eenheid van het minst significante bit (LSB).Het startpunt van de transformatiekarakteristiek wordt het punt genoemd dat wordt bepaald door de waarde van het ingangssignaal, gedefinieerd als

(3.1),

waar U 0.1 - spanning van de eerste intercode-overgang, U LSB - kwantisatiestap ( LSB - minst significante bit ). conversie komt overeen met de ingangsspanning bepaald door de ratio

(3.2).

Het bereik van waarden van de ingangsspanning van de ADC, beperkt door waarden U 0.1 en U N-1, N genaamd ingangsspanningsbereik:.

(3.3).

Ingangsspanningsbereik en minst significante bitwaarde N -bit ADC en DAC verbinden de verhouding

(3.4).

Spanning

(3.5)

genaamd volledige schaalspanning ( FSR - Volledig schaalbereik ). Meestal wordt deze parameter bepaald door het uitgangsniveau van de referentiespanningsbron die is aangesloten op de ADC. De grootte van de kwantiseringsstap of eenheden van de minst significante bit, dus is gelijk aan

(3.6),

en de waarde van de eenheid van het meest significante cijfer

(3.7).

Zoals te zien is in Fig. 3.2, treedt er tijdens de conversie een fout op die niet groter is dan de helft van de waarde van de minst significante bit U LSB / 2.

Er zijn verschillende methoden van analoog-naar-digitaal conversie, die verschillen in nauwkeurigheid en snelheid. In de meeste gevallen zijn deze kenmerken tegengesteld aan elkaar. Op dit moment zijn dergelijke typen converters zoals ADC's van opeenvolgende benaderingen (bitsgewijze balancering), integratie van ADC's, parallel ( Flash ) ADC, "sigma-delta" ADC, enz.

Een blokschema van een opeenvolgende benadering ADC wordt getoond in figuur 3.3.

De belangrijkste elementen van het apparaat zijn een comparator (K), een digitaal-naar-analoogomzetter (DAC) en een logisch regelcircuit. Het conversieprincipe is gebaseerd op een sequentiële vergelijking van het ingangssignaalniveau met de signaalniveaus die overeenkomen met verschillende combinaties van de uitgangscode en de vorming van de resulterende code op basis van de vergelijkingsresultaten. De volgorde van de vergeleken codes voldoet aan de halve delingsregel. Aan het begin van de conversie wordt de ingangscode van de DAC ingesteld op een toestand waarin alle bits behalve de oudere gelijk zijn aan 0, en de oudere is 1. Met deze combinatie is een spanning gelijk aan de helft van de ingangsspanning bereik wordt gevormd aan de DAC-uitgang. Deze spanning wordt vergeleken met de ingangsspanning op de comparator. Als het ingangssignaal groter is dan het signaal dat van de DAC komt, dan wordt de meest significante bit van de uitgangscode op 1 gezet, anders wordt het teruggezet naar 0. Bij de volgende klokcyclus wordt de gedeeltelijk op deze manier gevormde code weer naar de DAC-ingang wordt gevoerd, wordt het volgende bit erop ingesteld en wordt de vergelijking herhaald. Het proces gaat door totdat het minst significante bit is vergeleken. Dat. vormen N -bit uitvoercode vereist N identieke elementaire vergelijkingscycli. Dit betekent dat, onder gelijke omstandigheden, de snelheid van een dergelijke ADC afneemt met een toename van de capaciteit. De interne elementen van de opeenvolgende benadering ADC (DAC en comparator) moeten een nauwkeurigheid hebben die beter is dan de waarde van de helft van het minst significante bit van de ADC.

Blokschema van parallel ( Flash ) ADC wordt getoond in figuur 3.4.

In dit geval wordt de ingangsspanning ter vergelijking met de gelijknamige ingangen tegelijk geleverd N -1 vergelijkers. Signalen van een zeer nauwkeurige spanningsdeler, die is aangesloten op een referentiespanningsbron, worden toegevoerd aan de tegenoverliggende ingangen van de comparatoren. In dit geval zijn de spanningen van de uitgangen van de verdeler gelijkmatig verdeeld over het gehele variatiebereik van het ingangssignaal. De prioriteitsencoder genereert een digitaal uitgangssignaal dat overeenkomt met de hoogste comparator met een geactiveerd uitgangssignaal. Dat. voorzien N -bit conversie vereist 2 N scheidingsweerstanden en 2 N -1 vergelijker. Dit is een van de snelste conversiemethoden. Met een grote bitdiepte vereist het echter hoge hardwarekosten. De nauwkeurigheid van alle deler- en comparatorweerstanden moet opnieuw beter zijn dan de helft van de minst significante bit.

Het blokschema van de dual-integratie ADC wordt getoond in figuur 3.5.

De belangrijkste elementen van het systeem zijn een analoge schakelaar bestaande uit toetsen SW 1, SW 2, SW 3, integrator AND, comparator K en teller C. Het conversieproces bestaat uit drie fasen (Figuur 3.6).

De sleutel is gesloten in de eerste fase SW 1, en de rest van de toetsen zijn open. Via een gesloten sleutel SW 1, wordt de ingangsspanning toegevoerd aan een integrator, die het ingangssignaal voor een vast tijdsinterval integreert. Nadat dit tijdsinterval is verstreken, is het uitgangsniveau van de integrator evenredig met de waarde van het ingangssignaal. In de tweede fase van de transformatie is de sleutel SW 1 gaat open en de sleutel SW 2 sluit en een signaal van een referentiespanningsbron wordt toegevoerd aan de integratoringang. De integratorcondensator wordt ontladen van de spanning die is geaccumuleerd in het eerste conversie-interval met een constante snelheid die evenredig is met de referentiespanning. Deze fase duurt totdat de uitgangsspanning van de integrator tot nul daalt, zoals blijkt uit de uitgang van de comparator die het signaal van de integrator met nul vergelijkt. De duur van de tweede trap is evenredig met de ingangsspanning van de omzetter. Gedurende de gehele tweede fase worden hoogfrequente pulsen met een gekalibreerde frequentie op de teller gegoten. Dat. na de tweede trap zijn de digitale aflezingen van de teller evenredig met de ingangsspanning. Met deze methode kan een zeer goede nauwkeurigheid worden bereikt zonder hoge eisen te stellen aan de nauwkeurigheid en stabiliteit van de componenten. In het bijzonder kan de stabiliteit van de capaciteit van de integrator niet hoog zijn omdat de laad- en ontlaadcycli plaatsvinden met een snelheid die omgekeerd evenredig is met de capaciteit. Bovendien worden de drift- en offsetfouten van de comparator gecompenseerd door voor elke conversiestap bij dezelfde spanning te starten en te eindigen. Om de nauwkeurigheid te verbeteren, wordt de derde fase van de transformatie gebruikt, wanneer de invoer van de integrator via de sleutel SW 3 wordt een nulsignaal aangeboden. Aangezien deze stap dezelfde integrator en comparator gebruikt, zal het aftrekken van de uitgangsfout bij nul van de volgende meting de fouten compenseren die verband houden met metingen nabij nul. Er worden zelfs geen strenge eisen gesteld aan de frequentie van klokpulsen die de teller binnenkomen, aangezien een vast tijdsinterval in de eerste fase van conversie wordt gevormd uit dezelfde pulsen. Alleen aan de ontlaadstroom worden strenge eisen gesteld, d.w.z. naar de referentiespanningsbron. Het nadeel van deze conversiemethode is de lage prestatie.

De ADC wordt gekenmerkt door een aantal parameters die het mogelijk maken om de keuze voor een specifiek apparaat te implementeren op basis van de vereisten voor het systeem. Alle ADC-parameters kunnen in twee groepen worden verdeeld: statisch en dynamisch. De eerste bepalen de nauwkeurigheidskenmerken van het apparaat bij het werken met een constant of langzaam veranderend ingangssignaal, en de laatste karakteriseren de snelheid van het apparaat als het handhaven van de nauwkeurigheid bij een toename van de frequentie van het ingangssignaal.

Het kwantiseringsniveau dat in de buurt van nul van het ingangssignaal ligt, komt overeen met de spanning van intercode-overgangen -0,5 U LSB en 0,5 U LSB (de eerste komt alleen voor bij een bipolair ingangssignaal). In echte apparaten kunnen de spanningen van deze intercode-overgangen echter verschillen van deze ideale waarden. De afwijking van de werkelijke niveaus van deze spanningen van intercode-overgangen van hun ideale waarden wordt genoemd bipolaire nul-offsetfout ( Bipolaire nulfout ) en unipolaire nul-offsetfout ( Nul-offsetfout ) respectievelijk. Bipolaire conversiebereiken gebruiken meestal een nul-offsetfout en unipolaire conversies gebruiken meestal een unipolaire offset-fout. Deze fout leidt tot een parallelle verplaatsing van de reële transformatiekarakteristiek ten opzichte van de ideale karakteristiek langs de abscis (Fig. 3.7).

Afwijking van het ingangssignaalniveau dat overeenkomt met de laatste intercode-overgang van zijn ideale waarde U FSR -1,5 U LSB wordt genoemd fout op volledige schaal ( Volledige schaalfout).

ADC-conversiefactor de tangens genoemd van de helling van de rechte lijn getrokken door het begin- en eindpunt van de reële transformatiekarakteristieken. Het verschil tussen de werkelijke en ideale waarde van de conversiefactor wordt genoemd omrekeningsfactor fout ( Versterkingsfout ) (Figuur 3.7) Het bevat fouten aan het einde van de schaal, maar geen fouten op schaal nul. Voor het unipolaire bereik wordt dit gedefinieerd als het verschil tussen de volledige schaalfout en de unipolaire nulpuntverschuivingsfout, en voor het bipolaire bereik is het het verschil tussen de volledige schaalfout en de bipolaire nulpuntverschuivingsfout. In feite is dit in ieder geval de afwijking van de ideale afstand tussen de laatste en eerste intercode-overgangen (gelijk aan U FSR -2 U LSB ) van zijn werkelijke waarde.

Nul-offset- en conversieversterkingsfouten kunnen worden gecompenseerd door de ADC-voorversterker aan te passen. Om dit te doen, moet u een voltmeter hebben met een nauwkeurigheid van minimaal 0,1 U LSB ... Om deze twee fouten onafhankelijk te maken, wordt eerst de nulpuntsfout gecorrigeerd en vervolgens de conversiefactorfout.Om de ADC-nuloffsetfout te corrigeren, moet u:

1. Stel de ingangsspanning in op exact 0,5 U LSB;

2. Pas de offset van de ADC-voorversterker aan totdat de ADC overschakelt naar de stand 00 ... 01.

Om de conversiefactorfout te corrigeren, moet u:

1. Stel de ingangsspanning precies in op het niveau U FSR -1,5 U LSB;

2. Pas de versterking van de ADC-voorversterker aan totdat de ADC overschakelt naar de status 11 ... 1.

Vanwege de imperfectie van de elementen van het ADC-circuit, verschillen de stappen op verschillende punten van de ADC-kenmerken van elkaar in grootte en zijn ze niet gelijk U LSB (afb. 3.8).

Afwijking van de afstand tussen de middelpunten van twee aangrenzende reële kwantiseringsstappen van de ideale waarde van de kwantiseringsstap U LSB genaamd differentiële niet-lineariteit (DNL - Differentiële niet-lineariteit). Als DNL groter dan of gelijk aan U LSB , dan kan de ADC de zogenaamde "ontbrekende codes" hebben (Fig. 3.3). Dit brengt een lokale abrupte verandering in de ADC-versterking met zich mee, wat in gesloten regelsystemen kan leiden tot verlies van stabiliteit.

Voor toepassingen waarbij het belangrijk is om het uitgangssignaal met een bepaalde nauwkeurigheid te behouden, is het belangrijk om de ADC-uitgangscodes exact af te stemmen op de intercode-overgangsspanningen. De maximale afwijking van het midden van de kwantisatiestap op de echte karakteristiek van de ADC van de gelineariseerde karakteristiek wordt genoemd integrale niet-lineariteit (INL - Integrale niet-lineariteit) ofrelatieve nauwkeurigheid (Relatieve nauwkeurigheid) ADC (Figuur 3.9).

De gelineariseerde karakteristiek wordt door de uiterste punten van de eigenlijke conversiekarakteristiek getrokken, nadat ze zijn gekalibreerd, d.w.z. vaste fouten van offset nul en conversiefactor.

Het is praktisch onmogelijk om fouten van differentiële en integrale niet-lineariteit met eenvoudige middelen te compenseren.

Resolutie ADC ( Oplossing ) is het omgekeerde van het maximale aantal codecombinaties aan de ADC-uitgang

(3.8).

Deze parameter bepaalt welk minimumniveau van het ingangssignaal (ten opzichte van het volledige amplitudesignaal) de ADC kan waarnemen.

Nauwkeurigheid en resolutie zijn twee onafhankelijke kenmerken. Resolutie speelt een beslissende rol wanneer het belangrijk is om het gespecificeerde dynamische bereik van het ingangssignaal te behouden. Nauwkeurigheid is van cruciaal belang wanneer het nodig is om een ​​gecontroleerde waarde op een bepaald niveau te houden met een vaste nauwkeurigheid.

ADC dynamisch bereik (DR - Dinamisch bereik) ) is de verhouding van het maximaal waargenomen ingangsspanningsniveau tot het minimum, uitgedrukt in dB

(3.9).

Deze parameter bepaalt de maximale hoeveelheid informatie die de ADC kan verzenden. Dus, voor een 12-bits ADC DR = 72 dB.

De kenmerken van echte ADC's verschillen van de kenmerken van ideale apparaten vanwege de imperfectie van de elementen van een echt apparaat. Laten we eens kijken naar enkele parameters die echte ADC's kenmerken.

Signaal - ruis verhouding(SNR - Signaal-ruisverhouding) ) is de verhouding van de rms-waarde van het sinusvormige ingangssignaal tot de rms-waarde van de ruis, die wordt gedefinieerd als de som van alle andere spectrale componenten tot de helft van de bemonsteringsfrequentie, zonder rekening te houden met de constante component. Voor de perfecte N -bit ADC die alleen kwantiseringsruis genereert SNR uitgedrukt in decibel kan worden gedefinieerd als

(3.10),

waar N - ADC-bitdiepte. Dus, voor een 12-bits ideale ADC SNR = 74dB. Deze waarde is groter dan de waarde van het dynamisch bereik van dezelfde ADC sinds het minimaal waargenomen signaalniveau moet groter zijn dan het ruisniveau. Deze formule houdt alleen rekening met de kwantiseringsruis en houdt geen rekening met andere ruisbronnen die in echte ADC's voorkomen. Daarom zijn de waarden SNR voor echte ADC's, in de regel onder ideaal. Typische waarde SNR voor een echte 12-bits ADC is dit 68-70 dB.

Als het ingangssignaal minder swing heeft U FSR , dan moet de laatste formule worden aangepast

(3.11),

waarbij K OS de verzwakking van het ingangssignaal is, uitgedrukt in dB. Dus als het ingangssignaal van een 12-bits ADC een amplitude heeft die 10 keer minder is dan de helft van de volledige schaalspanning, dan is KOS = -20 dB en SNR = 74 dB - 20 dB = 54 dB.

De betekenis van het echte SNR kan worden gebruikt voor het effectieve aantal ADC-bits bepalen( ENOB - Effectief aantal bits ). Het wordt bepaald door de formule

(3.12).

Deze indicator kan het feitelijke beslissende vermogen van een echte ADC karakteriseren, bijvoorbeeld een 12-bits ADC, waarin: SNR = 68 dB voor een signaal met K OS = -20 dB is eigenlijk 7-bit ( ENOB = 7,68). ENOB-waarde hangt sterk af van de frequentie van het ingangssignaal, d.w.z. effectieve ADC-capaciteit neemt af met toenemende frequentie.

Totale harmonische vervorming ( THD - Totale harmonische vervorming ) Is de verhouding van de som van de rms-waarden van alle hogere harmonischen tot de rms-waarde van de fundamentele harmonische

(3.13),

waar n meestal beperkt tot 6 of 9. Deze parameter karakteriseert het niveau van harmonische vervorming van het ADC-uitgangssignaal in vergelijking met de ingang. THD neemt toe met de frequentie van het ingangssignaal.

Vol vermogen bandbreedte ( FPBW - Bandbreedte volledig vermogen ) Is de maximale frequentie van het ingangssignaal met een volledige zwaai waarbij de amplitude van de gereconstrueerde fundamentele component met niet meer dan 3 dB wordt verminderd. Met een toename van de frequentie van het ingangssignaal, hebben de analoge circuits van de ADC geen tijd meer om de veranderingen met een bepaalde nauwkeurigheid te verwerken, wat leidt tot een afname van de conversiecoëfficiënt van de ADC bij hoge frequenties.

Vestigings tijd (Vestigings tijd ) Is de tijd die de ADC nodig heeft om nominale nauwkeurigheid te bereiken nadat een stapsignaal met een amplitude gelijk aan het volledige bereik van het ingangssignaal is toegepast op de ingang. Deze parameter is beperkt vanwege de eindige snelheid van de verschillende ADC-knooppunten.

Door verschillende soorten fouten is het kenmerk van een echte ADC niet-lineair. Als een signaal wordt toegepast op de ingang van een apparaat met niet-lineariteiten, waarvan het spectrum bestaat uit twee harmonischen f a en f b , dan in het spectrum van het uitgangssignaal van een dergelijk apparaat, naast de fundamentele harmonischen, intermodulatie subharmonischen met frequenties, waar m, n = 1,2,3, ... Tweede orde subharmonischen zijn f a + f b, f a - f b , subharmonischen van de derde orde zijn 2 f a + f b, 2 f a - f b, f a +2 f b, f a -2 f b ... Als de ingangssinusoïden nauwe frequenties hebben die zich nabij de bovenrand van de doorlaatband bevinden, dan zijn de subharmonischen van de tweede orde ver weg van de ingangssinusoïden en bevinden ze zich in het laagfrequente gebied, terwijl de subharmonischen van de derde orde frequenties hebben die dicht bij de ingangsfrequenties liggen.

Intermodulatie vervormingscoëfficiënt ( Intermodulatine vervorming ) Is de verhouding van de som van de rms-waarden van intermodulatie-subharmonischen van een bepaalde orde tot de som van de rms-waarden van de fundamentele harmonischen, uitgedrukt in dB

(3.14).

Elke analoog-naar-digitaal conversiemethode kost een eindige tijd om te voltooien. Onder ADC-conversietijd ( Conversietijd ) wordt begrepen als het tijdsinterval vanaf het moment dat het analoge signaal bij de ADC-ingang arriveert tot het moment dat de bijbehorende uitgangscode verschijnt. Als het ingangssignaal van de ADC in de tijd verandert, leidt de uiteindelijke conversietijd van de ADC tot het verschijnen van de zogenaamde. diafragma fout(Figuur 3.10).

Het startsignaal van de conversie komt op dit moment binnen t 0 , en de uitvoercode verschijnt op dit moment t 1 ... Gedurende deze tijd is het ingangssignaal erin geslaagd om te veranderen met de waardeNS jij ... Er ontstaat onzekerheid: welk niveau van de ingangssignaalwaarde in het bereik? U 0 - U 0 + NS jij de opgegeven uitvoercode komt overeen. Om de conversienauwkeurigheid op het niveau van de minst significante biteenheid te houden, is het noodzakelijk dat gedurende de conversietijd de verandering in de signaalwaarde aan de ADC-ingang de waarde van de minst significante biteenheid niet zou overschrijden.

(3.15).

De verandering in het signaalniveau tijdens de conversie kan bij benadering worden berekend als:

(3.16),

waar ben je? - ADC-ingangsspanning, T c - conversietijd. Als we (3.16) in (3.15) substitueren, krijgen we

(3.17).

Als de ingang werkt op een sinusvormig signaal met een frequentie F

(3.18),

dan is de afgeleide gelijk aan

(3.19).

Het neemt zijn maximale waarde aan wanneer de cosinus 1 is 1. Vervangend, hiermee rekening houdend, (3.9) in (3.7), krijgen we

, of

(3.20)

De eindige conversietijd van de ADC leidt tot een vereiste om de veranderingssnelheid van het ingangssignaal te beperken. Om de diafragmafout, enz. verzwakken van de beperking van de veranderingssnelheid van het ingangssignaal van de ADC aan de ingang van de omzetter is zogenaamd ingesteld. Ophaalapparaat (UVC) ( Eenheid volgen / vasthouden ). Een vereenvoudigd diagram van de UVC wordt getoond in figuur 3.11.

Dit apparaat heeft twee werkingsmodi: bemonsteringsmodus en vergrendelingsmodus. De bemonsteringsmodus komt overeen met de gesloten toestand van de sleutel SW ... In deze modus herhaalt de uitgangsspanning van de UVC zijn ingangsspanning. De vergrendelingsmodus wordt geactiveerd door het commando van de openingssleutel SW ... In dit geval wordt de verbinding tussen de ingang en de uitgang van de UVC onderbroken en wordt het uitgangssignaal op een constant niveau gehouden dat overeenkomt met het niveau van het ingangssignaal op het moment dat het vergrendelingscommando wordt ontvangen vanwege de lading die is geaccumuleerd op de condensator. Als het vergrendelingscommando dus onmiddellijk voor het begin van de ADC-conversie wordt gegeven, zal het uitgangssignaal van de VCI gedurende de gehele conversietijd op een constant niveau worden gehouden. Na het einde van de conversie wordt de UVC weer in de bemonsteringsmodus gezet. Het werk van een echte UVC wijkt enigszins af van het ideale geval dat werd beschreven (Figuur 3.12).

(3.21),

waar f - de frequentie van het ingangssignaal, t A Is de grootte van de apertuuronzekerheid.

Bij een echte UVC kan het uitgangssignaal gedurende een eindige conversietijd niet volledig onveranderd blijven. De condensator zal geleidelijk ontladen door de kleine ingangsstroom van de uitgangsbuffer. Om de vereiste nauwkeurigheid te behouden, is het noodzakelijk dat tijdens de conversie de condensatorlading niet meer dan 0,5 verandert U LSB.

Digitaal-naar-analoog converters Ze worden meestal geïnstalleerd aan de uitgang van een microprocessorsysteem om de uitgangscodes om te zetten in een analoog signaal dat aan een continu besturingsobject wordt geleverd. De ideale statische respons voor een 3-bits DAC wordt weergegeven in afbeelding 3.13.

Uitgangspunt van het kenmerk gedefinieerd als het punt dat overeenkomt met de eerste (nul) invoercode U 00 ... 0 . Eindpunt van het kenmerk gedefinieerd als het punt dat overeenkomt met de laatste invoercode U 11 ... 1 ... De definities van het uitgangsspanningsbereik, eenheden van het minst significante bit van kwantisatie, nul-offsetfouten, conversiefactorfouten zijn vergelijkbaar met de overeenkomstige kenmerken van de ADC.

Vanuit het oogpunt van structurele organisatie heeft de DAC een veel kleinere verscheidenheid aan opties voor het construeren van de converter. De hoofdstructuur van de DAC is de zogenaamde. "Ketting R -2 R-schema ”(fig. 3.14).

Het is gemakkelijk om aan te tonen dat de ingangsstroom van het circuit is ik in = U REF / R , en de stromen van opeenvolgende circuitverbindingen, respectievelijk ik in / 2, ik in / 4, ik in / 8, enz. Om de digitale ingangscode om te zetten in een uitgangsstroom, volstaat het om alle armstromen die overeenkomen met die in de ingangscode op het uitgangspunt van de omvormer te verzamelen (Figuur 3.15).

Als een operationele versterker is aangesloten op het uitgangspunt van de omzetter, dan kan de uitgangsspanning worden gedefinieerd als:

(3.22),

waar K - digitale code invoeren, N - cijfercapaciteit van de DAC.

Alle bestaande DAC's zijn onderverdeeld in twee grote groepen: DAC met stroomuitgang en DAC met spanningsuitgang. Het verschil tussen hen ligt in de afwezigheid of aanwezigheid van de laatste trap op de operationele versterker in de DAC-chip. DAC's met uitgangsspanning zijn completere apparaten en hebben minder extra componenten nodig om te werken. De laatste fase bepaalt echter, samen met de parameters van het ladderschema, de dynamische en precisieparameters van de DAC. Het implementeren van een nauwkeurige, snelle operationele versterker op een enkele chip met een DAC is vaak moeilijk. Daarom hebben de meeste snelle DAC's een stroomuitgang.

Differentiële niet-lineariteit voor een DAC wordt gedefinieerd als de afwijking van de afstand tussen twee aangrenzende niveaus van het analoge uitgangssignaal van de ideale waarde U LSB ... Hoge differentiële niet-lineariteit kan ervoor zorgen dat de DAC niet-monotoon wordt. Dit betekent dat een toename van de digitale code zal leiden tot een afname van het uitgangssignaal in een deel van de karakteristiek (Figuur 3.16). Dit kan leiden tot ongewenste generatie in het systeem.

Integrale niet-lineariteit voor een DAC wordt dit gedefinieerd als de grootste afwijking van het analoge uitgangsniveau van een rechte lijn die wordt getrokken door de punten die overeenkomen met de eerste en laatste code, nadat ze zijn aangepast.

Vestigings tijd DAC wordt gedefinieerd als de tijd waarin het DAC-uitgangssignaal op een bepaald niveau wordt ingesteld met een fout van niet meer dan 0,5 U LSB nadat de invoercode is gewijzigd van 00 ... 0 in 11 ... 1. Als de DAC ingangsregisters heeft, is een bepaald deel van de insteltijd te wijten aan een vaste vertraging bij het passeren van digitale signalen, en alleen de rest aan de traagheid van het DAC-circuit zelf. Daarom wordt de insteltijd meestal niet gemeten vanaf het moment dat een nieuwe code bij de DAC-ingang arriveert, maar vanaf het moment dat het uitgangssignaal dat overeenkomt met de nieuwe code begint te veranderen tot het moment dat het uitgangssignaal nauwkeurig tot stand komt 0,5U LSB (Figuur 3.17).

In dit geval bepaalt de insteltijd de maximale bemonsteringsfrequentie van de DAC.

(3.23),

waar t S Is de afwikkelingstijd.

Digitale DAC-ingangscircuits hebben een eindige snelheid. Bovendien is de voortplantingssnelheid van signalen die overeenkomen met verschillende bits van de invoercode niet hetzelfde vanwege de spreiding van de parameters van de elementen en circuitkenmerken. Hierdoor worden de armen van het DAC-laddercircuit bij binnenkomst van een nieuwe code niet synchroon geschakeld, maar met een zekere vertraging ten opzichte van elkaar. Dit leidt ertoe dat in het diagram van de uitgangsspanning van de DAC, bij het overgaan van de ene stabiele waarde naar de andere, pieken met verschillende amplituden en richtingen worden waargenomen (Figuur 3.18).

Volgens het bewerkingsalgoritme is de DAC een nulde-orde extrapolator, waarvan de frequentierespons kan worden weergegeven door de uitdrukking

(3.24),

waar met wie s - bemonsteringsfrequentie. De frequentierespons van de DAC wordt weergegeven in figuur 3.20.

Zoals je kunt zien, met een frequentie van 0,5met wie s het gereconstrueerde signaal wordt met 3,92 dB verzwakt in vergelijking met de laagfrequente componenten van het signaal. Er is dus een lichte vervorming van het spectrum van het gereconstrueerde signaal. In de meeste gevallen heeft deze lichte vervorming geen significante invloed op de systeemprestaties. In gevallen waarin echter een verhoogde lineariteit van de spectrale kenmerken van het systeem vereist is (bijvoorbeeld in geluidsverwerkingssystemen), moet een speciaal reconstructiefilter met een frequentiekarakteristiek van het type x / zonde (x).

Digitaal-analoogomzetter(DAC) - een apparaat dat een digitaal ingangssignaal (code) naar analoog omzet.

De DAC wordt veel gebruikt waar het nodig is om analoge apparaten aan te sturen met behulp van digitale informatie die door een computer wordt afgegeven, bijvoorbeeld om klepbewegingen uit te voeren die evenredig zijn aan de berekende waarde van een digitaal signaal. DAC's worden gebruikt om een ​​computer (CU) te matchen met analoge apparaten, als interne ADC-units en digitale meetapparatuur. Als onderdeel van analoog-naar-digitaal-omzetters dient de DAC om een ​​analoog signaal (stroom of spanning) te genereren waarmee het omgezette signaal wordt vergeleken.

Het belangrijkste kenmerk van een DAC is de resolutie, die wordt bepaald door het aantal bits. N... Theoretisch een DAC-conversie N-bit binaire codes, moet 2 . leveren N verschillende waarden van het uitgangssignaal met een resolutie van (2 N- 1) -1. De absolute waarde van het kwantum van de minimale uitgangsspanning wordt gedefinieerd als het maximaal geaccepteerde getal 2 N- 1 en de maximale uitgangsspanning van de DAC, de schaalspanning genoemd jij shk. Dus bij 12 bits is het aantal onafhankelijke quanta (stappen) van de DAC-uitgangsspanning 212 - 1 = 0,0245%. Referentie-geselecteerde schaalspanning jij shk = 10B gedeeld door dit aantal quanta geeft de absolute resolutie van de DAC

NS x = jij shk / (2 N- 1) = 103 mV / (212 - 1) = 2,45 mV.

conversie karakteristiek(HP) DAC- een reeks waarden van de analoge outputhoeveelheid xi afhankelijk van de invoercode b l.

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

Rijst. 3.15. DAC-overdrachtskarakteristiek; EEN- lineariteit; B- niet-lineariteit; C- niet-monotonie; NS- uitgangssignaal; E- een rechte lijn die de ideale waarden van de uitgangssignaalniveaus verbindt; dpsh - fout op volledige schaal

Het verschil tussen de werkelijke waarde van de resolutie en de theoretische 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). De absolute fout wordt meestal gemeten in eenheden van de minst significante bit (LSB).

Niet-lineariteit dl kenmerkt de identiteit van de minimale toenamen 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 maximale waarde van het uitgangssignaal. De niet-lineariteitswaarde mag niet groter zijn dan ± 0,5 LSM-eenheden.

Differentiële niet-lineariteit dl.dif kenmerkt de identiteit van aangrenzende signaalincrementen. Het wordt gedefinieerd als het minimale verschil in de niet-lineariteitsfout van twee aangrenzende quanta in het uitgangssignaal. De differentiële niet-lineariteitswaarde mag niet groter zijn dan tweemaal de niet-lineariteitsfout. Als de dl.dif-waarde groter is dan de LSM-eenheid, wordt de transducer als niet-monotoon beschouwd, d.w.z. aan de uitgang kan het uitgangssignaal niet gelijkmatig groeien met een uniforme toename van de ingangscode.

Niet-monotoniciteit in sommige quanta geeft een afname van het uitgangssignaal met een toename van de ingangscode.

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 het optreden van fouten in elementen veroorzaken, zijn: technologische spreiding van parameters; de invloed van veranderingen in de omgeving (voornamelijk temperatuur); verandering van parameters in de tijd (veroudering); blootstelling aan externe en interne ruis en interferentie.

Alle instrumentale fouten komen voornamelijk tot uiting in de volgende vormen:

a) nul-bias die de parallelle verschuiving van de DAC-overdrachtskarakteristiek van de gemiddelde rechte lijn kenmerkt (veroorzaakt door de nul-bias-spanning en niet-nul ingangsstroom van de op-amp, evenals de resterende parameters van de toetsen);

b) verandering in de transmissiecoëfficiënt, die de afwijking van de helling van de reële overdrachtskarakteristiek van de gemiddelde rechte lijn kenmerkt;

c) afwijkingen van de overdrachtskarakteristiek van de omzetter van de ideale rechte lijn (een dergelijke niet-lineariteit van de transformatie manifesteert zich als niet-identiteit van de incrementen van het uitgangssignaal als functie van de ingangscode).

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

Tijdparameters bepalen de snelheid van de omvormers. Er zijn drie tijdparameters: kwantiseringsstap (periode) D t, conversietijd (insteltijd van het uitgangssignaal) t pr, de duur van de conversiecyclus t C.

Kwantiseringsstap (periode) D t- het tijdsinterval tussen twee opeenvolgende conversies. De inverse van de kwantiseringsperiode 1 / D t = F sq, de bemonsteringsfrequentie genoemd.

Insteltijd DAC-uitgang t pr - de tijd vanaf het moment dat de code op de DAC-ingangen wordt gewijzigd tot het moment waarop de waarde van de analoge uitgangswaarde met een bepaalde waarde afwijkt van de stabiele waarde (Fig. 3.16).

Rijst. 3.16. timing t pr conversie DAC

Conversiecyclustijd t c - de tijd tussen het moment van toevoer van de ingangscode en de uitgang van het analoge uitgangssignaal ( t q = t NS). Het wordt voornamelijk bepaald door cyclogrammen en tijddiagrammen die de werking beschrijven van informatie- en computerapparatuur en -systemen met beschikbare converters.

Maximale conversieratio - de hoogste bemonsteringsfrequentie waarmee 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 grote amplitude in het uitgangssignaal, die voortkomen uit het verschil in de openings- en sluitingstijden van de analoge schakelaars in de DAC. Uitschieters komen vooral tot uiting wanneer, in plaats van nul in de meest significante bit en enen in de minst significante bits van de code, één wordt verzonden naar de meest significante bit (MSD) en de code "allemaal nullen" in de LSB. Als de ingangscode 011 ... 111 bijvoorbeeld wordt vervangen door de code 10 ... 000 en de sleutel van de senior DAC later wordt geopend dan de toetsen van de lagere worden gesloten, dan zal een toename van het uitgangssignaal met slechts één kwantum kan vergezeld gaan van een puls met een amplitude van 0,5 jij shk. De duur van deze piek komt overeen met de vertraging bij het wijzigen van de status van de toetsen.

Momenteel zijn er, afhankelijk van de waarden van de parameters, zeer nauwkeurige en snelle DAC's. Precisie-DAC's hebben dl = 0,1% en hoge snelheid t mond = 100ns.

Tussen de discrete digitale wereld en analoge signalen.

Collegiale YouTube

1 / 3

✪ Lezing 26. Digitaal-naar-analoog omzetter R-2R

✪ Parallelle ADC DAC

✪ D/A-omzetter

Ondertitels

Sollicitatie

De DAC wordt altijd gebruikt wanneer het nodig is om een ​​signaal van digitaal naar analoog om te zetten, bijvoorbeeld in cd-spelers (Audio-cd).

DAC-typen

De meest voorkomende typen elektronische DAC's zijn:

• Pulsbreedtemodulator- het eenvoudigste type DAC. Een stabiele stroom- of spanningsbron wordt periodiek ingeschakeld voor een tijd die evenredig is aan de geconverteerde digitale code, waarna de resulterende pulsreeks wordt gefilterd door een analoog laagdoorlaatfilter. Deze methode wordt vaak gebruikt om de snelheid van elektromotoren te regelen en wordt ook populair in hifi-audiotechniek;

• DAC-oversampling, zoals delta-sigma-DAC's, zijn gebaseerd op variabele pulsdichtheid. Oversampling maakt het gebruik van een DAC met een lagere bitdiepte mogelijk om een ​​hogere bitdiepte van de uiteindelijke conversie te bereiken; vaak zijn delta-sigma DAC's gebaseerd op de eenvoudigste 1-bit DAC die bijna lineair is. Een low-bit DAC ontvangt een pulssignaal met gemoduleerde pulsdichtheid(constante pulsbreedte maar variabele werkcyclus) gegenereerd met behulp van negatieve feedback. Negatieve feedback werkt als een hoogdoorlaatfilter voor kwantiseringsruis.

• Wegen DAC, waarbij elk bit van de geconverteerde binaire code overeenkomt met een weerstand of stroombron die is verbonden met een gemeenschappelijk sommatiepunt. De bronstroom (weerstandsgeleiding) is evenredig met het gewicht van de bit waarmee deze overeenkomt. Dus alle niet-nul bits van de code worden opgeteld bij het gewicht. De weegmethode is een van de snelste, maar wordt gekenmerkt door een lage nauwkeurigheid vanwege de behoefte aan een reeks van veel verschillende precisiebronnen of weerstanden en variabele impedantie. Om deze reden zijn weging-DAC's niet meer dan acht bits breed;

Specificaties:

DAC's bevinden zich aan het begin van het analoge pad van elk systeem, daarom bepalen de DAC-parameters grotendeels de parameters van het hele systeem als geheel. Hieronder volgen de belangrijkste kenmerken van een DAC.

• Maximale bemonsteringsfrequentie- de maximale frequentie waarop de DAC kan werken, waardoor de juiste output aan de output wordt gegeven. In overeenstemming met de stelling van Kotelnikov is het voor de juiste weergave van een analoog signaal uit een digitale vorm noodzakelijk dat de bemonsteringsfrequentie ten minste tweemaal de maximale frequentie in het signaalspectrum is. Om bijvoorbeeld het volledige voor mensen hoorbare audiofrequentiebereik te reproduceren, waarvan het spectrum zich uitstrekt tot 20 kHz, is het noodzakelijk dat het audiosignaal wordt gesampled met een frequentie van ten minste 40 kHz. De audio-cd-standaard stelt de audiosamplefrequentie in op 44,1 kHz; om dit signaal te reproduceren, hebt u een DAC nodig die op deze frequentie kan werken. Bij goedkope computergeluidskaarten is de bemonsteringsfrequentie 48 kHz. Signalen die op andere frequenties worden bemonsterd, worden overbemonsterd tot 48 kHz, wat de signaalkwaliteit gedeeltelijk verslechtert.

• Statische kenmerken:
  • DNL (differentiële niet-lineariteit) - karakteriseert hoe de toename van het analoge signaal, verkregen wanneer de code wordt verhoogd met 1 minst significante bit (LSB), verschilt van de juiste waarde;
  • INL (integrale niet-lineariteit) - karakteriseert hoeveel de overdrachtskarakteristiek van de DAC afwijkt van het ideaal. Het ideale kenmerk is strikt lineair; INL laat zien hoeveel de spanning aan de DAC-uitgang voor een bepaalde code van de lineaire karakteristiek is; uitgedrukt in minimumloon;
  • verdienen;
  • vooroordeel.

• Frequentie kenmerken:
  • SNDR (signaal-ruisverhouding + vervorming) - karakteriseert in decibel de verhouding van het uitgangssignaalvermogen tot het totale vermogen van ruis en harmonische vervorming;
  • HDi (coëfficiënt van de i-de harmonische) - karakteriseert de verhouding van de i-de harmonische tot de fundamentele harmonische;
  • THD (Total Harmonic Distortion) is de verhouding van het totale vermogen van alle harmonischen (behalve de eerste) tot het vermogen van de eerste harmonische.

Sollicitatie

De DAC wordt altijd gebruikt wanneer het nodig is om een ​​signaal van digitaal naar analoog om te zetten, bijvoorbeeld in cd-spelers (Audio-cd).

DAC-typen

De meest voorkomende typen elektronische DAC's zijn:

• Pulsbreedtemodulator- het eenvoudigste type DAC. Een stabiele stroom- of spanningsbron wordt periodiek ingeschakeld voor een tijd die evenredig is aan de geconverteerde digitale code, waarna de resulterende pulsreeks wordt gefilterd door een analoog laagdoorlaatfilter. Deze methode wordt vaak gebruikt om de snelheid van elektromotoren te regelen en wordt ook populair in hifi-audiotechniek;

• DAC-oversampling zoals delta-sigma-DAC's zijn gebaseerd op variabele pulsdichtheid. Oversampling maakt het gebruik van een DAC met een lagere bitdiepte mogelijk om een ​​hogere bitdiepte van de uiteindelijke conversie te bereiken; vaak zijn delta-sigma DAC's gebaseerd op de eenvoudigste 1-bit DAC die bijna lineair is. Een low-bit DAC ontvangt een pulssignaal met gemoduleerde pulsdichtheid(constante pulsbreedte maar variabele werkcyclus) gegenereerd met behulp van negatieve feedback. Negatieve feedback werkt als een hoogdoorlaatfilter voor kwantiseringsruis.

• Wegen DAC, waarbij elk bit van de geconverteerde binaire code overeenkomt met een weerstand of stroombron die is verbonden met een gemeenschappelijk sommatiepunt. De bronstroom (weerstandsgeleiding) is evenredig met het gewicht van de bit waarmee deze overeenkomt. Dus alle niet-nul bits van de code worden opgeteld bij het gewicht. De weegmethode is een van de snelste, maar wordt gekenmerkt door een lage nauwkeurigheid vanwege de behoefte aan een reeks van veel verschillende precisiebronnen of weerstanden en variabele impedantie. Om deze reden zijn weging-DAC's niet meer dan acht bits breed;

• Ladder DAC(ketting R-2R-schema). In een R-2R-DAC worden waarden gecreëerd in een speciaal circuit bestaande uit weerstanden met weerstanden R en 2R, een matrix met constante impedantie genoemd, die twee soorten inclusie heeft: direct - een matrix van stromen en invers - een matrix van spanningen. Het gebruik van dezelfde weerstanden kan de nauwkeurigheid aanzienlijk verbeteren in vergelijking met een conventionele weeg-DAC, aangezien het relatief eenvoudig is om een ​​set precisie-elementen met dezelfde parameters te vervaardigen. DAC's van het R-2R-type maken het mogelijk om de beperkingen op de bitbreedte terug te dringen. Met laser getrimde weerstanden op een enkel substraat wordt een nauwkeurigheid van 20-22 bits bereikt. Het grootste deel van de conversietijd wordt doorgebracht in de operationele versterker, dus deze zou maximale prestaties moeten hebben. DAC-snelheid van enkele microseconden of minder (d.w.z. nanoseconden);

Specificaties:

DAC's bevinden zich aan het begin van het analoge pad van elk systeem, daarom bepalen de DAC-parameters grotendeels de parameters van het hele systeem als geheel. Hieronder volgen de belangrijkste kenmerken van een DAC.

• Maximale bemonsteringsfrequentie- de maximale frequentie waarop de DAC kan werken, waardoor de juiste output aan de output wordt gegeven. In overeenstemming met de stelling van Nyquist - Shannon (ook bekend als de stelling van Kotelnikov), is het voor de juiste weergave van een analoog signaal uit een digitale vorm noodzakelijk dat de bemonsteringsfrequentie ten minste tweemaal de maximale frequentie in het signaalspectrum is. Om bijvoorbeeld het volledige voor mensen hoorbare audiofrequentiebereik te reproduceren, waarvan het spectrum zich uitstrekt tot 20 kHz, is het noodzakelijk dat het audiosignaal wordt gesampled met een frequentie van ten minste 40 kHz. De audio-cd-standaard stelt de audiosamplefrequentie in op 44,1 kHz; om dit signaal te reproduceren, hebt u een DAC nodig die op deze frequentie kan werken. Bij goedkope computergeluidskaarten is de bemonsteringsfrequentie 48 kHz. Signalen die op andere frequenties worden bemonsterd, worden overbemonsterd tot 48 kHz, wat de signaalkwaliteit gedeeltelijk verslechtert.

• Monotoon- de eigenschap van de DAC om het analoge uitgangssignaal te verhogen met toenemende ingangscode.

• THD + Nee(totale harmonische vervorming + ruis) is een maat voor de vervorming en ruis die door de DAC in het signaal wordt geïntroduceerd. Uitgedrukt als een percentage van harmonisch vermogen en ruis in het uitgangssignaal. Een belangrijke parameter voor DAC-toepassingen met een klein signaal.

• Dynamisch bereik- de verhouding van de grootste en kleinste signalen die de DAC kan weergeven, uitgedrukt in decibel. Deze parameter is gerelateerd aan bitbreedte en ruisdrempel.

• Statische kenmerken:
  • DNL (differentiële niet-lineariteit) - karakteriseert hoe de toename van het analoge signaal, verkregen wanneer de code wordt verhoogd met 1 minst significante bit (LSB), verschilt van de juiste waarde;
  • INL (integrale niet-lineariteit) - karakteriseert hoeveel de overdrachtskarakteristiek van de DAC afwijkt van het ideaal. Het ideale kenmerk is strikt lineair; INL laat zien hoeveel de spanning aan de DAC-uitgang voor een bepaalde code van de lineaire karakteristiek is; uitgedrukt in minimumloon;
  • verdienen;
  • vooroordeel.

• Frequentie kenmerken:
  • SNDR (signaal-ruisverhouding + vervorming) - karakteriseert in decibel de verhouding van het uitgangssignaalvermogen tot het totale vermogen van ruis en harmonische vervorming;
  • HDi (coëfficiënt van de i-de harmonische) - karakteriseert de verhouding van de i-de harmonische tot de fundamentele harmonische;
  • THD (Total Harmonic Distortion) is de verhouding van het totale vermogen van alle harmonischen (behalve de eerste) tot het vermogen van de eerste harmonische.

zie ook

Literatuur

• Jean M. Rabai, Ananta Chandrakasan, Borivozh Nikolic. Digitale geïntegreerde schakelingen. Ontwerpmethodologie = digitale geïntegreerde schakelingen. - 2e druk. - M.: Williams, 2007 .-- 912 d. - ISBN 0-13-090996-3
• Mingliang Liu. Demystificerende circuits met geschakelde condensatoren. ISBN 0-75-067907-7.
• Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. CMOS analoog circuitontwerp. ISBN 0-19-511644-5.

Links

• Digitaal-naar-analoogomzetters (DAC), theorie en principes van het werk op de site Micro-elektronicamarkt
• D/A-converters voor digitale signaalverwerkingstaken
• INL / DNL-metingen voor snelle ADC's legt uit hoe INL en DNL worden berekend
• Alexey Stachov... Fibonacci Computer Deel 1, Deel 2, Deel 3 // PCweek.ru, 2002
• R-2R Ladder DAC uitgelegd bevat diagrammen