Spiegazione dei convertitori da digitale ad analogico (DAC), da analogico a digitale (ADC)

Spiegazione dei convertitori da digitale ad analogico (DAC), da analogico a digitale (ADC)

PER convertitore digitale-analogico ( Dacian , D / A , D2A , o D-to-A ) è un circuito progettato per convertire un segnale di ingresso digitale in un segnale di uscita analogico. Il convertitore analogico-digitale (ADC) funziona in modo opposto e trasforma un segnale di ingresso analogico in un'uscita digitale.

In questo articolo discutiamo in modo completo come funzionano i circuiti di conversione da digitale ad analogico e da analogico a digitale, utilizzando diagrammi e formule.



Nell'elettronica possiamo trovare tensioni e correnti che variano continuamente con diversi intervalli e grandezze.



Nei circuiti digitali il segnale di tensione è in due forme, come livello logico alto o basso logico logico, che rappresentano valori binari di 1 o 0.

In un convertitore analogico-digitale (ADC), il segnale analogico in ingresso è rappresentato come una grandezza digitale, mentre un convertitore digitale-analogico (DAC) converte la grandezza digitale in un segnale analogico.



Come funzionano i convertitori da digitale ad analogico

Il processo di conversione da digitale ad analogico può essere eseguito attraverso molte tecniche differenti.

Un metodo ben noto utilizza una rete di resistori, nota come rete ladder.

Una rete ladder è progettata per accettare ingressi che coinvolgono valori binari tipicamente a 0 V o Vref e fornisce una tensione di uscita equivalente all'ampiezza dell'ingresso binario.



La figura seguente mostra una rete ladder che utilizza 4 tensioni di ingresso, che rappresentano 4 bit di dati digitali e un'uscita di tensione CC.

La tensione di uscita è proporzionale al valore dell'ingresso digitale come espresso dall'equazione:

Rete ladder DAC

Risolvendo l'esempio precedente otteniamo la seguente tensione di uscita:

Come si vede, un ingresso digitale di 0110Dueviene convertito in un'uscita analogica di 6 V.

Lo scopo della rete ladder è modificare le 16 potenziali grandezze binarie
da 0000 a 1111 in una delle 16 grandezze di tensione a intervalli di Vrif/ 16.

Pertanto, potrebbe essere possibile elaborare più input binari includendo un numero maggiore di unità ladder e ottenere una quantizzazione più elevata per ogni fase.

Significato, supponiamo che se usiamo una rete a 10 gradini, consentirà di aumentare la quantità di gradini di tensione o la risoluzione a Vrif/Due10o Vrif/ 1024. In questo caso, se usiamo una tensione di riferimento Vrif= 10 V genererebbe una tensione di uscita in incrementi di 10 V / 1024, o intorno a 10 mV.

Pertanto, l'aggiunta di un numero maggiore di fasi ladder ci darà una risoluzione proporzionalmente più alta.

Tipicamente, per n numero di gradini della scala, questo può essere rappresentato attraverso la seguente formula:

Vrif/ Duen

Diagramma a blocchi DAC

La figura seguente mostra lo schema a blocchi di un DAC standard che utilizza una rete ladder, indicata come ladder R-2R. Questo può essere visto bloccato tra la sorgente della corrente di riferimento e gli interruttori di corrente.

Gli interruttori di corrente sono collegati agli interruttori binari, producendo una corrente di uscita proporzionale al valore binario di ingresso.

Gli ingressi binari alternano le rispettive gambe del ladder, abilitando una corrente di uscita che è una somma ponderata del riferimento di corrente.

Se necessario, le resistenze possono essere collegate alle uscite per interpretare il risultato come uscita analogica.

DAC IC utilizzando la rete ladder R-2R.

Come funzionano i convertitori analogico-digitale

Finora abbiamo discusso come convertire segnali digitali in segnali analogici, ora impariamo come fare il contrario, ovvero convertire un segnale analogico in un segnale digitale. Questo può essere implementato tramite un metodo ben noto chiamato metodo a doppia pendenza .

La figura seguente mostra lo schema a blocchi per il convertitore ADC standard a doppia pendenza.

Conversione da analogico a digitale utilizzando il metodo a doppia pendenza: (a) diagramma logico (b) forma d

Qui, un interruttore elettronico viene impiegato per trasferire il segnale di ingresso analogico desiderato a un integratore, chiamato anche generatore di rampa. Questo generatore di rampa può essere sotto forma di un condensatore caricato con una corrente costante per generare la rampa lineare. Questo produce la conversione digitale richiesta attraverso uno stadio di contatore che funziona per intervalli di pendenza sia positivi che negativi dell'integratore.

Il metodo può essere compreso con la seguente descrizione:

L'intero intervallo di misurazione del contatore decide l'intervallo di tempo fisso. Per questo intervallo la tensione analogica di ingresso applicata all'integratore fa salire la tensione di ingresso del comparatore a un certo livello positivo.

Facendo riferimento alla sezione (b) del diagramma sopra, mostra che la tensione dall'integratore alla fine dell'intervallo di tempo fisso è maggiore della tensione di ingresso che è di grandezza maggiore.

Al termine dell'intervallo di tempo fisso, il conteggio viene impostato su 0, il che richiede all'interruttore elettronico di collegare l'integratore a un livello di tensione di ingresso di riferimento fisso. Dopodiché, l'uscita dell'integratore che è anche l'ingresso del condensatore inizia a diminuire a velocità costante.

Durante questo periodo, il contatore continua ad avanzare, mentre l'uscita dell'integratore continua a diminuire a velocità costante, fino a quando non scende al di sotto della tensione di riferimento del comparatore. Ciò fa sì che l'uscita del comparatore cambi stato e fa scattare lo stadio della logica di controllo per arrestare il conteggio.

La grandezza digitale memorizzata all'interno del contatore diventa l'uscita digitale del convertitore.

L'uso di un clock comune e di uno stadio integratore durante gli intervalli di pendenza sia positivo che negativo aggiunge una sorta di compensazione per il controllo della deriva della frequenza di clock e del limite di precisione dell'integratore.

Potrebbe essere possibile scalare l'uscita del contatore secondo le preferenze dell'utente impostando opportunamente il valore di ingresso di riferimento e la frequenza di clock. Possiamo avere il contatore come binario, BCD o in un altro formato digitale, se necessario.

Utilizzo della rete ladder

Il metodo di rete ladder che utilizza stadi contatore e comparatore è un altro modo ideale per implementare la conversione da analogico a digitale. In questo metodo, un contatore inizia a contare da zero, che aziona una rete ladder, generando una tensione incrementale a gradini, simile a una scala (vedere la figura sotto).

Processo di conversione da analogico a digitale utilizzando la rete ladder: (a) diagramma logico (b) diagramma della forma d

Il processo consente alla tensione di aumentare ad ogni passo di conteggio.

Un comparatore monitora questa tensione a scala crescente e la confronta con la tensione di ingresso analogico. Non appena il comparatore rileva la tensione della scala che supera l'ingresso analogico, la sua uscita richiede di interrompere il conteggio.

Il valore del contatore a questo punto diventa l'equivalente digitale del segnale analogico.

Il livello di variazione della tensione generata dai gradini del segnale scala è determinato dalla quantità di bit di conteggio utilizzati.

Ad esempio, un contatore a 12 stadi che utilizza un riferimento a 10 V azionerà una rete ladder a 10 stadi con tensioni di passo di:

Vrif/Due12= 10 V / 4096 = 2,4 mV

Questo creerà una risoluzione di conversione di 2,4 mV. Il tempo necessario per l'esecuzione della conversione è determinato dalla frequenza di clock del contatore.

Se la frequenza di clock di 1 MHz viene utilizzata per il funzionamento di un contatore a 12 fasi, il tempo massimo impiegato per la conversione sarebbe:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

Il numero minimo di conversioni che possono essere possibili al secondo può essere trovato come:

no. di conversioni = 1 / 4,1 ms ≈ 244 conversioni / secondo

Fattori che influenzano il processo di conversione

Considerando che alcune conversioni potrebbero richiedere un tempo di conteggio più elevato e alcune potrebbero richiedere un tempo di conteggio inferiore, in genere un tempo di conversione = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms può essere un buon valore.

Ciò produrrà un numero di conversioni 2 x 244 = 488 in media.

Una frequenza di clock più bassa significherebbe meno conversioni al secondo.

Un convertitore che lavora con un numero inferiore di fasi di conteggio (bassa risoluzione) avrebbe un tasso di conversione più elevato.

La precisione del convertitore è determinata dalla precisione del comparatore.




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