Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Раздел:
Аналогово-цифровая и цифро-аналоговая схемотехника


1. Цифро-аналоговые
преобразователи (ЦАП) служат для
преобразования информации из цифровой формы в аналоговый сигнал – суммирование
токов и напряжений. ЦАП широко применяется в различных устройствах автоматики
для связи цифровых ЭВМ с аналоговыми элементами и системами.

Принцип работы ЦАП состоит в
суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного
цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от
значения соответствующего разряда кода.

ЦАП преобразует цифровой двоичный код
Q4Q3Q2Q1 в аналоговую величину,
обычно напряжение Uвых.. Каждый разряд двоичного кода имеет
определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно
описать следующей формулой:

Uвых=e*(Q1
1+Q2*2+Q3*4+Q4*8+…), (1)

где e — напряжение, соответствующее
весу младшего разряда, Qi — значение i -го разряда двоичного кода (0
или 1).

Например, числу 1001 соответствует

Uвых=у*(1*1+0*2+0*4+1*8)=9*e, а числу 1100

Uвых=e*(0*1+0*2+1*4+1*8)=12*e.

На рисунке 3.3.4.1 приведена схема
цифро — аналогового преобразователя.

Рисунок 3.3.4.1 — Схема цифро-аналогового
преобразователя

Упрощенная схема реализации ЦАП
представлена на рис1. В схеме i – й ключ замкнут при Qi=1, при
Qi=0 – разомкнут. Регистры подобраны таким образом, что
R>>Rн.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Эквивалентное сопротивление обведенного
пунктиром двухполюсника Rэк и сопротивление нагрузки Rн образуют делитель
напряжения, тогда

Uвых = E Rн / Rэк + Rн » E*Rн /
Rэк  (2)

Проводимость двухполюсника 1 / Rэк
равна сумме проводимостей ветвей (при Qi=1 i – ветвь включена, при
Qi=0 – отключена):

1 / Rэк = Q1 / 8R + Q2 / 4R + Q3
/ 2R + Q4 / R   (3)

Подставив (3) в (2), получаем выражение, идентичное
(1)

Uвых = (8Е Rн / R)*(
Q1*1 + Q2*2 + Q3*4 + Q4*8
)

Очевидно, что е = 8Е Rн / R. Выбором е можно
установить требуемый масштаб аналоговой величины.

2. Аналогово-цифровые
преобразователи
. В информационных и управляющих системах часть (или вся)
информация от датчиков бывает представлена в аналоговой форме. Для ее ввода в
цифровые ЭВМ и цифровое управляющее устройство широко применяются
аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). В большинстве случаев АЦП выполняют
преобразование входного напряжения или тока в двоичный цифровой код.

Существуют различные типы АЦП. Мы
остановимся лишь на тех типах, которые получили в настоящее время наибольшее
распространение.

Рисунок 3.3.4.2 — Схема АЦП последовательного приближения


2.1. АЦП последовательного приближения
(АЦППП). Структурная схема АЦППП приведена на рисунке 3.3.4.2. Схема работает
следующим образом. Входной аналоговый сигнал Uвх перед началом преобразования
запоминается схемой выборки – хранения ВХ, что необходимо, так как в процессе
преобразования необходимо изменение аналогового сигнала. Далее по команде “Пуск”
с помощью сдвигового регистра последовательно во времени каждый триггер Ti,
начиная со старшего разряда, переводит в положение 1 соответствующий разряд ЦАП.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
Напряжение U1 (или ток) с выхода ЦАП сравнивается с входным аналоговым сигналом
с помощью компаратора КП. Если U0 > U1, на выходе компаратора сохраняется
низкий уровень и в триггере сохраняется единица, при U0 < U1 срабатывает
компаратор и переводит триггер в положение 0. После окончания цикла на выходах
триггеров получается двоичный код, соответствующий (при идеальных элементах) U0
с точностью до половины младшего разряда.

Погрешность АЦППП определяется
неточностью ЦАП, зоной нечувствительности и смещением нуля компаратора, а также
погрешностью схемы выборки – хранения.

Поскольку в такой схеме ошибка в каком
– либо разряде в дальнейшем не корректируется, необходимо, чтобы время на
“взвешивание” каждого разряда было достаточно для затухания переходного процесса
до уровня, соответствующего половине младшего разряда, и чтобы при разбалансе U1
– U0 на это значение компаратора успел сработать. Общее время
преобразования

tпр=tвх+n(tз,к+tу+tц)+t,

где tвх – время, необходимое для
фиксации Uвх схемой ВХ; n – число разрядов; tз,к – время задержки, вносимое
компаратором; tу – время установления U1 на входе ЦАП; tц – время задержки
цифровых элементов в схеме управления и срабатывания триггера; tсб – время,
необходимое для сброса ЦАП в исходное состояние, включая время, необходимое для
синхронизации с началом такта.

Наибольшую долю в tпр обычно вносит tу,
наибольшая величина которого может быть оценена следующим образом:

tу=(1+n)Тэln2,

где Tэ – эквивалентная постоянная
времени на входе ЦАП. Если на его выходе включен ОУ, который полезен для
уменьшения выходного сопротивления и ускорения тем самым переходного процесса,
то Tэ» 1/2p fср (fср – частота среза ОУ по контуру обратной свази).Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

При 12 – разрядном АЦП и использовании
быстродействующего ЦАП с tу=100 нс время tпр близко к 1,5 мкс. В большинстве
случаев tпр такого преобразователя достигает 10 – 100 мкс.


2.2. АЦП параллельного типа (АЦПП).
Существенное уменьшение tпр удается получить
в АЦП параллельного типа. Его структурная схема приведена на рис3. Здесь входная
аналоговая величина U0 с выхода схемы ВХ сравнивается с помощью
2n+1 – 1 компараторов с 2(2n-1) эталонными уровнями,
образованными делителями из резисторов равного сопротивления. При этом
срабатывают m младших компараторов, образующих на выходах схем И-НЕ нормальный
единичный код, затем который с помощью специального дешифратора ДШ преобразуется
в двоичный выходной сигнал.

Погрешность АЦПП определяется
неточностью и нестабильностью эталонного напряжения, резистивного делителя и
погрешностями компараторов. Значительную роль могут играть входные токи
компараторов, если делитель недостаточно низкоомный. На рисунке 3.3.4.3
приведена структурная схема АЦП параллельного типа.

Рисунок 3.3.4.3 — Схема АЦП параллельного типа.

Время преобразования складывается из
следующих составляющих:


tпр = tвх +
tз,к + a tл,сi ,

где tл,сi– Время
задержки логичесих схем; k – число последовательно включенных логических
схем.

При использовании компаратров со
стробированием АЦПП может быть без схемы ВХ. При этом он обеспечивает наибольшее
быстродействие по сравнению с любыми другими АЦП.

Рисунок 3.3.4.4 — АЦП и ЦАП.

На

рисунке 3.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи 3.4.4, показана схема для преобразование
аналоговой величины (напряжения) в цифровой код и обратное проебразование
цифрового кода в аналоговую величину. Процесс работы схемы показан на временной
диаграмме. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу АЦП и ЦАП, приведена на
рисунке 3.3.4.5.

Рисунок 3.3.4.5 — Диаграмма работы АЦП и ЦАП.

Задание:

Аналого-цифровое преобразование для начинающих / Хабр

В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.

»

Введение

В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.


Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Основные характеристики АЦП

АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.

Типы АЦП

Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:

  • АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
  • АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
  • дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)

Существуют также и другие типы АЦП, в том числе конвейерные и комбинированные типы, состоящие из нескольких АЦП с (в общем случае) различной архитектурой. Однако приведенные выше архитектуры АЦП являются наиболее показательными в силу того, что каждая архитектура занимает определенную нишу в общем диапазоне скорость-разрядность.

Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.

Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.

АЦП последовательного приближения

АЦП последовательного приближения реализует алгоритм «взвешивания», восходящий еще к Фибоначчи. В своей книге «Liber Abaci» (1202 г.) Фибоначчи рассмотрел «задачу о выборе наилучшей системы гирь», то есть о нахождении такого ряда весов гирь, который бы требовал для нахождения веса предмета минимального количества взвешиваний на рычажных весах. Решением этой задачи является «двоичный» набор гирь. Подробнее о задаче Фибоначчи можно прочитать, например, здесь: http://www.goldenmuseum.com/2015AMT_rus.html.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:

1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).

2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).

3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.

Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.

Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:

1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).

2.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.

3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.

4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.

Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).

Дельта-сигма АЦП

И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.

Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.

Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».

Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система

Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к [3].

На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).

Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.

Более наглядно работу сигма-дельта АЦП демонстрирует небольшая программа, находящаяся тут: http://designtools.analog.com/dt/sdtutorial/sdtutorial.html.

Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.

Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):

Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора

Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.

Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:

Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)

То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.

Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра

Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.

Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.

Немного истории

Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.

Рис. 8. Первый патент на АЦП

Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)

Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.

На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.

Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)

Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).

Литература

W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-020.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи pdf

W. Kester. ADC Architectures II: Successive Approximation ADC. Analog Devices, MT-021 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-021.pdf

W. Kester. ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics. Analog Devices, MT-022 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-022.pdf

W. Kester. ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications. Analog Devices, MT-023 Tutorial. www.analog.com/static/imported-files/tutorials/MT-023.pdf

назначение, схемы, характеристики, описание и назначение

Что такое АЦП?

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) — это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на рис. 3.92.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h — шаг квантования).

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др. Число разрядов — количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (210 = 1024)−1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10мВ. Время преобразования tпp — интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Характерными методами преобразования являются следующие: параллельного преобразования аналоговой величины и последовательного преобразования.

АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала

По параллельному методу входное напряжение одновременно сравниваются с n опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной.

Принцип действия АЦП (рис. 3.93)

При Uвх = 0, поскольку для всех ОУ разность напряжений (U+ − U) < 0 (U+, U — напряжения относительно общей точки соответственно неинвертирующего и инвертирующего входа), напряжения на выходе всех ОУ равны −Епит а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Z0, Z1, Z2 устанавливаются нули. Если Uвх > 0,5U, но меньше 3/2U, лишь для нижнего ОУ (U+ − U) > 0 и лишь на его выходе появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП следующих сигналов: Z0 = 1, Z2 = Zl = 0. Если Uвх > 3/2U, но меньше 5/2U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение +Епит, что приводит к появлению на выходах КП кода 010 и т. д.

Посмотрите интересное видео о работе АЦП:

АЦП с последовательным преобразованием входного сигнала

Это АЦП последовательного счета, который называют АЦП со следящей связью (рис. 3.94). В АЦП рассматриваемого типа используется ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе Uвх и на выходе ЦАП −U. Если входное напряжение Uвх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи В момент равенства Uвх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Метод последовательного преобразования реализуется и в АЦП время — импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН)).

Принцип действия рассматриваемого АЦП рис. 3.95) основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения Uвх. Использованы следующие обозначения: СС — схема сравнения, ГИ — генератор импульсов, Кл — электронный ключ, Сч — счетчик импульсов.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Отмеченный во временной диаграмме момент времени t1 соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t2 соответствует равенству входного напряжения и напряжения ГЛИН.

Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства Uвх и Uглин. Через UСч обозначено напряжение на входе счетчика.

Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.

АЦП с двойным интегрированием

Такой АЦП реализует метод последовательного преобразования входного сигнала (рис. 3.96). Использованы следующие обозначения: СУ — система управления, ГИ — генератор импульсов, Сч — счетчик импульсов.

Принцип действия АЦП состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения Uвх интегратором на основе ОУ (напряжение Uи на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего — интегрирование опорного напряжения Uоп (Uи меняется от максимальной по модулю величины до нуля) (рис.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи 3.97).
Пусть время t1 интегрирования входного сигнала постоянно, тогда чем больше второй отрезок времени t2 (отрезок времени, в течение которого интегрируется опорное напряжение), тем больше входное напряжение. Ключ КЗ предназначен для установки интегратора в исходное нулевое состояние.

В первый из указанных отрезков времени ключ К1 замкнут, ключ К2 разомкнут, а во второй, отрезок времени их состояние является обратным по отношению к указанному. Одновременно с замыканием ключа К2 импульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать через схему управления СУ на счетчик Сч.

Поступление этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на выходе интегратора оказывается равным нулю.

Напряжение на выходе интегратора по истечении отрезка времени t1 определяется выражением

Uи(t1) = − ( 1/RC) · t10Uвхdt= − ( Uвх · t1 ) / ( R·C)

Используя аналогичное выражение для отрезка времени t2, получим

t2 = − ( R·C/Uоп) ·Uи(t1)

Подставив сюда выражение для Uи(t1), получим t2 =( Uвх / Uоп)·tоткуда Uвх = Uoa · t2/t1

Код на выходе счетчика определяет величину входного напряжения.

Одним из основных преимуществ АЦП рассматриваемого типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения, имеющие место в течение короткого времени, практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Недостаток АЦП — малое быстродействие.

Наиболее распространенными являются АЦП серий микросхем 572, 1107, 1138 и др. (табл. 3.3) Из таблицы видно, что наилучшим быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования, а наихудшим — АЦП последовательного преобразования.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Предлагаем посмотреть ещё одно достойное видео о работе и устройстве АЦП:

Цифро-аналоговый преобразователь. Так ли все просто?

В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП.

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.

Принцип работы

Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.

Табл. 1. Сигналы четырехразрядного ЦАП (опорное напряжение 5 В)

Входной код

Выходное напряжение, В

0000

0,0000

0001

0,3125

0010

0,6250

0011

0,9375

0100

1,2500

0101

1,5625

0110

1,8750

0111

2,1875

1000

2,5000

1001

2,8125

1010

3,1250

1011

3,4375

1100

3,7500

1101

4,0625

1110

4,3750

1111

4,6875

Характеристики ЦАП

Наиболее важные характеристики ЦАП:

  • Разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и точность преобразования.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
  • Передаточная характеристика (ПХ) — зависимость выходного сигнала ЦАП от входных данных.
  • Разрядность (N) — количество бит во входном коде.
  • Разрешение — это выходное напряжение, соответствующее 1 МЗР. Оно зависит от количества разрядов и определяет точность преобразования сигнала.
  • Частота дискретизации (частота Найквиста) — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала.
  • Полная шкала — диапазон значений выходного сигнала.
  • Монотонность — участок на ПХ, где наклон постоянен. На этом участке ЦАП линеен.
  • Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в заданный диапазон отклонения.
  • Выходной выброс — это переходный процесс, возникающий во время смены входных данных. Величина выброса зависит от количества переключаемых разрядов.
  • Погрешность смещения нуля — разность между фактическим и идеальным выходным сигналом, когда на входе ноль.
  • Погрешность ПШ — разница между фактическим выходным напряжением и напряжением ПШ.
  • Погрешность усиления — отклонение наклона ПХ от идеального.
  • Дифференциальная нелинейность — разность приращений выходных сигналов, соответствующих смежным соседним кодам.
  • Интегральная нелинейность — максимальное отклонение реальной ПХ от прямой линии.

Классификация

Цифро-аналоговые преобразователи делятся по типу входных данных на последовательные и параллельные. По разрядности выделяют ЦАП с повышенной точностью (большая разрядность, N≥14) или с высоким быстродействием (6—8 разрядов). Выходной сигнал может иметь форму напряжения, тока или заряда.

Рассмотрим некоторые структуры ЦАП. Простейшим ЦАП является взвешивающий (делитель Кельвина), структура которого показана на рисунке 1.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи Каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (или проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. N-разрядный ЦАП содержит 2N одинаковых последовательно соединенных резистора и 2N ключа (обычно КМОП), по одному между каждым узлом цепи и выходом.

Рис. 1. Структура взвешивающего ЦАП

Взвешивающий метод — один из самых быстрых, однако характеризуется наименьшей точностью. Обычно такой ЦАП имеет выход по напряжению и отличается хорошей монотонностью. Если все резисторы одинаковы, ЦАП линеен. Недостаток данной модели — относительно высокий выходной импеданс и большое количество резисторов и ключей.

ЦАП на матрице R–2R. Это одна из наиболее распространенных структур (см. рис. 2). Здесь используются только две величины сопротивлений, находящихся в отношении 2:1. Количество резисторов равно 2N. Резистивный делитель можно использовать в качестве ЦАП двумя способами, в режиме напряжения и режиме тока (они также известны как нормальный и инверсный режимы). Главное преимущество ЦАП с выходом по напряжению заключается в том, что выходной импеданс постоянен. Второе достоинство — отсутствие емкостных токов в нагрузке. Недостатки данной структуры: во-первых, опорный источник должен иметь очень низкий импеданс; во-вторых, для регулирования усиления нельзя использовать резистор, включенный последовательно с опорным источником. В токовом режиме это допустимо, однако выбросы в токовой схеме больше. С другой стороны, ключи находятся под потенциалом земли, поэтому защита от большого перепада напряжений не требуется.

Рис. 2. ЦАП на R–2R матрице с выходом в форме напряжения

В сигма-дельта ЦАП (см. рис. 3) преобразование осуществляется с помощью сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой, в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста. Как видно из рисунка 4, сигма-дельта модулятор преобразует входной сигнал в последовательный непрерывный поток нулей и единиц.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи Если входной сигнал близок к положительному краю полной шкалы, в битовом потоке на выходе больше единиц, чем нулей, и наоборот, если сигнал ближе к отрицательному краю, то больше нулей. Для сигнала, близкого к середине шкалы, количество нулей и единиц примерно одинаково.

Рис. 3. Общая структура сигма-дельта ЦАПРис. 4. Принцип работы сигма-дельта модулятора

Интерполяционный фильтр представляет собой цифровую схему, которая принимает данные, поступающие с низкой частотой дискретизации, вставляет нули в поток данных, увеличивая тем самым частоту дискретизации, затем применяет алгоритм интерполяции и выдает данные с высокой частотой дискретизации. Выходное напряжение одноразрядного ЦАП переключается между равными по значению положительным и отрицательным опорными напряжениями. Выход фильтруется аналоговым ФНЧ.

Перемножающий ЦАП работает с различными опорными сигналами, в т.ч. переменного тока. Выходной сигнал пропорционален произведению опорного напряжения на дробный эквивалент цифрового входного числа.

Сегментированные (гибридные) преобразователи. При проектировании конкретного ЦАП может оказаться так, что ни одна из базовых структур не подходит, и придется комбинировать различные структуры для получения ЦАП с высоким разрешением и требуемыми характеристиками.

Подбор ЦАП

Для выбора подходящего ЦАП необходимо определить требования, которым должны соответствовать его параметры. В первую очередь это — разрядность, разрешение, время установления выходного сигнала (быстродействие), интерфейс подключения, напряжение питания и т.д. Обычно при проектировании устройства сначала выбирается его главный элемент — вычислительное ядро (процессор, ПЛИС, МК и т.д.), который определяет интерфейс обмена с остальными элементами схемы. В таблице 2 приведены четыре наиболее распространенных интерфейса для ЦАП.

Табл. 2. Сравнение интерфейсов ЦАП

Интерфейс

Количество выводов

Скорость работы

Параллельный

Данные: 8—16 линий;

Управление и тактирование — 2—4 линии

До 100 Мбит/с

I2C

2 линии: данные и тактирование

До 1 Мбит/с

SPI

4 линии: тактовый сигнал, выходные данные,
входные данные, выборка кристалла

До 400 Мбит/с

Microwire

3 линии: тактовый сигнал, входные данные, синхронизация кадра

До 400 Мбит/с

Параллельный интерфейс — наиболее простой в реализации, однако при этом используется много линий передачи данных, микросхема имеет много выводов и занимает больше места на плате.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи Последовательные шины I2C и SPI являются наиболее распространенными в современных МК. Недостаток SPI — его нельзя настраивать так точно, как I2C, поэтому устройства с SPI могут быть не полностью совместимы между собой.

Разрядность ЦАП и величина опорного напряжения определяют шаг изменения выходного сигнала. Время установления определяет быстродействие ЦАП. При работе с постоянными или низкочастотными сигналами этот параметр не имеет большого значения. Однако им нельзя пренебрегать при работе на ВЧ.

Нелинейности бывают двух типов: интегральная и дифференциальная. Линейный ЦАП работает как зеркало, точно отражая входные данные. Влияние нелинейностей проиллюстрировано рисунком 5. Как правило, эти искажения следует учитывать в прецизионных схемах, таких как системы калибровки или измерительное оборудование.

Рис. 5. Нелинейные искажения выходного сигнала

Для работы ЦАП нужно два источника напряжения (питания и опорное). В некоторых схемах для них используется один вывод, однако в этом случае точность ИП должна быть очень высокой, не хуже 1%. Преобразователи с раздельными выводами имеют более сложную схему, однако они не так требовательны к выбору ИП.

Тип и размер корпуса также имеют большое значение и могут существенно сузить диапазон выбора. Например, если конвейер автоматической сборки не позволяет устанавливать ИС с шариковыми выводами, то ЦАП, не выпускающиеся в других корпусах, использовать нельзя. Во-вторых, корпус может повлиять на распределение тепла на плате. В портативных устройствах и устройствах с батарейным питанием можно использовать только малопотребляющие ЦАП.

Шумовые характеристики

Источниками шума в схеме являются проводники, разъемы, трансформаторы, индуктивности, электрическое поле, создаваемое конденсаторами, антенны и прочие элементы. Наибольший вклад вносят шумы от проводящих линий.

Как известно, соединительные проводники представляют собой не только активное, но и реактивное сопротивление.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи Соответственно, нужно следить за тем, чтобы все контуры возвратных токов были как можно меньше, тогда индуктивность проводов уменьшается и не возникает шума по земляной шине.

Формирование выходного сигнала

ЦАП можно подключить к нагрузке напрямую, однако, как правило, ставится дополнительный буфер или согласующее устройство. Это может быть неинвертирующий ОУ или повторитель напряжения (см. рис. 6). При использовании буфера следует удостовериться, что он не вносит погрешность больше 1/2 МЗР. При согласовании ОУ с ЦАП следует учитывать и другие параметры ОУ: полосу пропускания, размах напряжения и т.д.

Рис. 6. Способы формирования выходного сигнала

Земля

Если на плате имеется только один слой земли, то шум от цифровых элементов может проникнуть в аналоговую часть схемы. Чтобы избежать этого, рекомендуется делать отдельные полигоны земли для аналоговой и цифровой частей, соединенные тонким проводником. Второй способ — использовать два внутренних слоя, соединенных сквозным отверстием. Этот метод более надежен, однако стоимость платы увеличивается

Литература

  1. McCulley В. Bridging the Divide
  2. Kester W. Data Conversion Handbook//Analog Devices, 2004.

Как работают аналого-цифровые преобразователи и что можно узнать из спецификации на АЦП?

Вольфганг Райс (Wolfgang Reis, WBC GmbH)

Журнал «Компоненты и технологии», № 3’2005

В статье рассказывается об устройстве и принципах действия аналогово-цифровых преобразователей различных типов, а также об их основных характеристиках, указываемых производителями в документации.

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) — один из самых важных электронных компонентов в измерительном и тестовом оборудовании. АЦП преобразует напряжение (аналоговый сигнал) в код, над которым микропроцессор и программное обеспечение выполняют определенные действия. Даже если Вы работаете только с цифровыми сигналами, скорее всего Вы используете АЦП в составе осциллографа, чтобы узнать их аналоговые характеристики.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Существует несколько основных типов архитектуры АЦП, хотя в пределах каждого типа существует также множество вариаций. Различные типы измерительного оборудования используют различные типы АЦП. Например, в цифровом осциллографе используется высокая частота дискретизации, но не требуется высокое разрешение. В цифровых мультиметрах нужно большее разрешение, но можно пожертвовать скоростью измерения. Системы сбора данных общего назначения по скорости дискретизации и разрешающей способности обычно занимают место между осциллографами и цифровыми мультиметрами. В оборудовании такого типа используются АЦП последовательного приближения либо сигма-дельта АЦП. Существуют также параллельные АЦП для приложений, требующих скоростной обработки аналоговых сигналов, и интегрирующие АЦП с высокими разрешением и помехоподавлением.

На рис.1. показаны возможности основных архитектур АЦП в зависимости от разрешения и частоты дискретизации.

Параллельные АЦП

Большинство высокоскоростных осциллографов и некоторые высокочастотные измерительные приборы используют параллельные АЦП из-за их высокой скорости преобразования, которая может достигать 5Г (5*109) отсчетов/сек для стандартных устройств и 20Г отсчетов/сек для оригинальных разработок. Обычно параллельные АЦП имеют разрешение до 8 разрядов, но встречаются также 10-ти разрядные версии.

Рис. 2 показывает упрощенную блок-схему 3-х разрядного параллельного АЦП (для преобразователей с большим разрешением принцип работы сохраняется). Здесь используется массив компараторов, каждый из которых сравнивает входное напряжение с индивидуальным опорным напряжением. Такое опорное напряжение для каждого компаратора формируется на встроенном прецизионном резистивном делителе. Значения опорных напряжений начинаются со значения, равного половине младшего значащего разряда (LSB), и увеличиваются при переходе к каждому следующему компаратору с шагом, равным VREF /23.Цап и ацп принцип и назначение: Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи В результате для 3-х разрядного АЦП требуется 23-1 или семь компараторов. А, например, для 8-разрядного параллельного АЦП потребуется уже 255 (или (28-1)) компараторов.

С увеличением входного напряжения компараторы последовательно устанавливают свои выходы в логическую единицу вместо логического нуля, начиная с компаратора, отвечающего за младший значащий разряд. Можно представить преобразователь как ртутный термометр: с ростом температуры столбик ртути поднимается. На рис. 2 входное напряжение попадает в интервал между V3 и V4, таким образом 4 нижних компаратора имеют на выходе «1», а верхние три компаратора — «0». Дешифратор преобразует (23-1) — разрядное цифровое слово с выходов компараторов в двоичный 3-х разрядный код.

Параллельные АЦП — достаточно быстрые устройства, но они имеют свои недостатки. Из-за необходимости использовать большое количество компараторов параллельные АЦП потребляют значительную мощность, и их нецелесообразно использовать в приложениях с батарейным питанием.

АЦП последовательного приближения

Когда необходимо разрешение 12, 14 или 16 разрядов и не требуется высокая скорость преобразования, а определяющими факторами являются невысокая цена и низкое энергопотребление, то обычно применяют АЦП последовательного приближения. Этот тип АЦП чаще всего используется в разнообразных измерительных приборах и в системах сбора данных. В настоящий момент АЦП последовательного приближения позволяют измерять напряжение с точностью до 16 разрядов с частотой дискретизации от 100К (1х103) до 1М (1х106) отсчетов/сек.

Рис. 3 показывает упрощенную блок-схему АЦП последовательного приближения. В основе АЦП данного типа лежит специальный регистр последовательного приближения. В начале цикла преобразования все выходы этого регистра устанавливаются в логический 0, за исключением первого (старшего) разряда. Это формирует на выходе внутреннего цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) сигнал, значение которого равно половине входного диапазона АЦП. А выход компаратора переключается в состояние, определяющее разницу между сигналом на выходе ЦАП и измеряемым входным напряжением.

Например, для 8-разрядного АЦП последовательного приближения (рис. 4) выходы регистра при этом устанавливаются в «10000000». Если входное напряжение меньше половины входного диапазона АЦП, тогда выход компаратора примет значение логического 0. Это дает регистру последовательного приближения команду переключить свои выходы в состояние «01000000», что соответственно приведет к изменению выходного напряжения с ЦАП, подаваемого на компаратор. Если при этом выход компаратора по-прежнему оставался бы в «0», то выходы регистра переключились бы в состояние «00100000». Но на этом такте преобразования выходное напряжение ЦАП меньше, чем входное напряжение (рис. 4), и компаратор переключается в состояние логической 1. Это предписывает регистру последовательного приближения сохранить «1» во втором разряде и подать «1» на третий разряд. Описанный алгоритм работы затем вновь повторяется до последнего разряда. Таким образом, АЦП последовательного приближения требуется один внутренний такт преобразования для каждого разряда, или N тактов для N-разрядного преобразования.

Тем не менее, работа АЦП последовательного приближения имеет особенность, связанную с переходными процессами во внутреннем ЦАП. Теоретически, напряжение на выходе ЦАП для каждого из N внутренних тактов преобразования должно устанавливаться за одинаковый промежуток времени. Но на самом деле этот промежуток в первых тактах значительно больше, чем в последних. Поэтому время преобразования 16-разрядного АЦП последовательного приближения более, чем в два раза превышает время преобразования 8-разрядного АЦП данного типа.

Сигма-дельта АЦП

Для проведения большинства измерений часто не требуется АЦП со скоростью преобразования, которую даёт АЦП последовательного приближения, зато необходима большая разрешающая способность. Сигма-дельта АЦП могут обеспечивать разрешающую способность до 24 разрядов, но при этом уступают в скорости преобразования. Так, в сигма-дельта АЦП при 16 разрядах можно получить частоту дискретизации до 100К отсчетов/сек, а при 24 разрядах эта частота падает до 1К отсчетов/сек и менее, в зависимости от устройства.

Обычно сигма-дельта АЦП применяются в разнообразных системах сбора данных и в измерительном оборудовании (измерение давления, температуры, веса и т.п.), когда не требуется высокая частота дискретизации и необходимо разрешение более 16 разрядов.

Принцип работы сигма-дельта АЦП сложнее для понимания. Эта архитектура относится к классу интегрирующих АЦП. Но основная особенность сигма-дельта АЦП состоит в том, что частота следования выборок, при которых собственно и происходит анализ уровня напряжения измеряемого сигнала, существенно превышает частоту появления отсчетов на выходе АЦП (частоту дискретизации). Эта частота следования выборок называется частотой передискретизации. Так, сигма-дельта АЦП со скоростью преобразования 100К отсчетов/сек, в котором используется частота передискретизации в 128 раз больше, будет производить выборку значений входного аналогового сигнала с частотой 12.8М отсчетов/сек.

Блок-схема сигма-дельта АЦП первого порядка приведена на рис. 5. Аналоговый сигнал подается на интегратор, выходы которого подсоединены к компаратору, который в свою очередь присоединен к 1-разрядному ЦАП в петле обратной связи. Путем серии последовательных итераций интегратор, компаратор, ЦАП и сумматор дают поток последовательных битов, в котором содержится информация о величине входного напряжения.

Результирующая цифровая последовательность затем подается на фильтр нижних частот для подавления компонентов с частотами выше частоты Котельникова (она составляет половину частоты дискретизации АЦП). После удаления высокочастотных составляющих следующий узел — дециматор — прореживает данные. В рассматриваемом нами АЦП дециматор будет оставлять 1 бит из каждых полученных 128 в выходной цифровой последовательности.

Так как внутренний цифровой ФНЧ в сигма-дельта АЦП представляет собой неотъемлемую часть для осуществления процесса преобразования, время установления ФНЧ становится фактором, который необходимо учитывать при скачкообразном изменении входного сигнала. Например, при переключении входного мультиплексора или при переключении предела измерения прибора необходимо подождать, пока пройдут несколько отсчетов АЦП, и лишь потом считывать корректные выходные данные.

Дополнительным и очень важным достоинством сигма-дельта АЦП является то, что все его внутренние узлы могут быть выполнены интегральным способом на площади одного кремниевого кристалла. Это заметно снижает стоимость конечных устройств и повышает стабильность характеристик АЦП.

Интегрирующие АЦП

И последний тип АЦП, о котором пойдет здесь речь — АЦП двухтактного интегрирования. В цифровых мультиметрах, как правило, используются именно такие АЦП, т.к. в этих измерительных приборах необходимо сочетание высокого разрешения и высокого помехоподавления. Идея преобразования в таком интегрирующем АЦП гораздо менее сложна, чем в сигма-дельта АЦП.

На рисунке 6 показан принцип работы АЦП двухтактного интегрирования. Входной сигнал заряжает конденсатор в течение фиксированного периода времени, который обычно составляет один период частоты питающей сети (50 или 60Гц) или кратен ему. При интегрировании входного сигнала в течение промежутка времени такой длительности высокочастотные помехи подавляются. Одновременно исключается влияние нестабильности напряжения сетевого источника питания на точность преобразования. Это происходит потому, что значение интеграла от синусоидального сигнала равно нулю, если интегрирование осуществляется во временном интервале, кратном периоду изменения синусоиды.

По окончании времени заряда АЦП разряжает конденсатор с фиксированной скоростью, в то время как внутренний счетчик подсчитывает количество тактовых импульсов за время разряда конденсатора. Большее время разряда, таким образом, соответствует большему значению показаний счетчика и большему измеряемому напряжению (рис.6).

АЦП двухтактного интегрирования имеют высокую точность и высокую разрешающую способность, а также имеют сравнительно простую структуру. Это дает возможность выполнять их в виде интегральных микросхем. Основной недостаток таких АЦП — большое время преобразования, обусловленное привязкой периода интегрирования к длительности периода питающей сети. Например, для 50 Гц — оборудования частота дискретизации АЦП двухтактного интегрирования не превышает 25 отсчетов/сек. Конечно, такие АЦП могут работать и с большей частотой дискретизации, но при увеличении последней помехозащищенность падает.

Спецификация АЦП

Существуют общие определения, которые принято использовать в отношении аналого-цифровых преобразователей. Тем не менее, характеристики, приводимые в технической документации производителей АЦП, могут показаться довольно путаными. Правильный же выбор оптимального по сочетанию своих характеристик АЦП для конкретного приложения требует точной интерпретации данных, приводимых в технической документации.

Наиболее часто путаемыми параметрами являются разрешающая способность и точность, хотя эти две характеристики реального АЦП крайне слабо связаны между собой. Разрешение не идентично точности, 12-разрядный АЦП может иметь меньшую точность, чем 8-разрядный. Для АЦП разрешение представляет собой меру того, на какое количество сегментов может быть поделен входной диапазон измеряемого аналогового сигнала (например, для 8-разрядного АЦП это 28=256 сегментов). Точность же характеризует суммарное отклонение результата преобразования от своего идеального значения для данного входного напряжения. То есть, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности АЦП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности.

АЦП преобразует входной аналоговый сигнал в выходной цифровой код. Для реальных преобразователей, изготавливаемых в виде интегральных микросхем, процесс преобразования не является идеальным: на него оказывают влияние как технологический разброс параметров при производстве, так и различные внешние помехи. Поэтому цифровой код на выходе АЦП определяется с погрешностью. В спецификации на АЦП указываются погрешности, которые дает сам преобразователь. Их обычно делят на статические и динамические. При этом именно конечное приложение определяет, какие характеристики АЦП будут считаться определяющими, самыми важными в каждом конкретном случае.

Статическая погрешность

В большинстве применений АЦП используют для измерения медленно изменяющегося, низкочастотного сигнала (например, от датчика температуры, давления, от тензодатчика и т.п.), когда входное напряжение пропорционально относительно постоянной физической величине. Здесь основную роль играет статическая погрешность измерения. В спецификации АЦП этот тип погрешности определяют аддитивная погрешность (Offset), мультипликативная погрешность (Full-Scale), дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL) и погрешность квантования. Эти пять характеристик позволяют полностью описать статическую погрешность АЦП.

Идеальная передаточная характеристика АЦП

Передаточная характеристика АЦП — это функция зависимости кода на выходе АЦП от напряжения на его входе. Такой график представляет собой кусочно-линейную функцию из 2N «ступеней», где N — разрядность АЦП. Каждый горизонтальный отрезок этой функции соответствует одному из значений выходного кода АЦП (см. рис. 7). Если соединить линиями начала этих горизонтальных отрезков (на границах перехода от одного значения кода к другому), то идеальная передаточная характеристика будет представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат.

Рис. 7 иллюстрирует идеальную передаточную характеристику для 3-х разрядного АЦП с контрольными точками на границах перехода кода. Выходной код принимает наименьшее значение (000b) при значении входного сигнала от 0 до 1/8 полной шкалы (максимального значения кода этого АЦП). Также следует отметить, что АЦП достигнет значения кода полной шкалы (111b) при 7/8 полной шкалы, а не при значении полной шкалы. Т.о. переход в максимальное значение на выходе происходит не при напряжении полной шкалы, а при значении, меньшем на наименьший значащий разряд (LSB), чем входное напряжение полной шкалы. Передаточная характеристика может быть реализована со смещением -1/2 LSB. Это достигается смещением передаточной характеристики влево, что смещает погрешность квантования из диапазона -1… 0 LSB в диапазон -1/2 … +1/2 LSB.

Из-за технологического разброса параметров при изготовлении интегральных микросхем реальные АЦП не имеют идеальной передаточной характеристики. Отклонения от идеальной передаточной характеристики определяют статическую погрешность АЦП и приводятся в технической документации.

Аддитивная погрешность

Идеальная передаточная характеристика АЦП пересекает начало координат, а первый переход кода происходит при достижении значения 1 LSB. Аддитивная погрешность (погрешность смещения) может быть определена как смещение всей передаточной характеристики влево или вправо относительно оси входного напряжения, как показано на рис.9. Таким образом, в определение аддитивной погрешности АЦП намеренно включено смещение 1/2 LSB.

Мультипликативная погрешность

Мультипликативная погрешность (погрешность полной шкалы) представляет собой разность между идеальной и реальной передаточными характеристиками в точке максимального выходного значения при условии нулевой аддитивной погрешности (смещение отсутствует). Это проявляется как изменение наклона передаточной функции, что иллюстрирует рис. 10.

Дифференциальная нелинейность

У идеальной передаточной характеристики АЦП ширина каждой «ступеньки» должна быть одинакова. Разница в длине горизонтальных отрезков этой кусочно-линейной функции из 2N «ступеней» представляет собой дифференциальную нелинейность (DNL).

Величина наименьшего значащего разряда у АЦП составляет Vref/2N, где Vref — опорное напряжение, N — разрешение АЦП. Разность напряжений между каждым кодовым переходом должна быть равна величине LSB. Отклонение этой разности от LSB определяются как дифференциальная нелинейность. На рисунке это показано как неравные промежутки между «шагами» кода или как «размытость» границ переходов на передаточной характеристике АЦП.

Интегральная нелинейность

Интегральная нелинейность (INL) — это погрешность, которая вызывается отклонением линейной функции передаточной характеристики АЦП от прямой линии, как показано на рис. 12. Обычно передаточная функция с интегральной нелинейностью аппроксимируется прямой линией по методу наименьших квадратов. Часто аппроксимирующей прямой просто соединяют наименьшее и наибольшее значения. Интегральную нелинейность определяют путем сравнения напряжений, при которых происходят кодовые переходы. Для идеального АЦП эти переходы будут происходить при значениях входного напряжения, точно кратных LSB. А для реального преобразователя такое условие может выполняться с погрешностью. Разность между «идеальными» уровнями напряжения, при которых происходит кодовый переход, и их реальными значениями выражается в единицах LSB и называется интегральной нелинейностью.

Погрешность квантования

Одна из наиболее существенных составляющих ошибки при измерениях с помощью АЦП — погрешность квантования -является результатом самого процесса преобразования. Погрешность квантования — это погрешность, вызванная значением шага квантования и определяемая как ½ величины наименьшего значащего разряда (LSB). Она не может быть исключена в аналого-цифровых преобразованиях, так как является неотъемлемой частью процесса преобразования, определяется разрешающей способностью АЦП и не меняется от АЦП к АЦП с равным разрешением.

Динамические характеристики

Динамические характеристики АЦП обычно определяют с помощью спектрального анализа, по результатам выполнения быстрого преобразования Фурье (БПФ) над массивом выходных значений АЦП, соответствующих некоторому тестовому входному сигналу.

На рис. 13 представлен пример частотного спектра измеряемого сигнала. Нулевая гармоника соответствует основной частоте входного сигнала. Все остальное представляет собой шум, который содержит гармонические искажения, тепловой шум, шум 1/f и шум квантования. Некоторые составляющие шума генерируются самим АЦП, некоторые могут поступать на вход АЦП из внешних цепей. Гармонические искажения, например, могут содержаться в измеряемом сигнале и одновременно генерироваться АЦП в процессе преобразования.

Отношение «сигнал/шум»

Отношение «сигнал/шум» (SNR) — это отношение среднеквадратического значения величины входного сигнала к среднеквадратическому значению величины шума (за исключением гармонических искажений), выраженное в децибелах:

SNR(dB) = 20 log [ Vsignal(rms)/ Vnoise(rms) ]

Это значение позволяет определить долю шума в измеряемом сигнале по отношению к полезному сигналу.

Шум, измеряемый при расчете SNR, не включает гармонические искажения, но включает шум квантования. Для АЦП с определенным разрешением именно шум квантования ограничивает возможности преобразователя теоретически лучшим значением отношения сигнал/шум, которое определяется как:

SNR(db) = 6.02 N + 1.76, 

где N — разрешение АЦП.

Спектр шума квантования АЦП стандартных архитектур имеет равномерное распределение по частоте. Поэтому величина этого шума не может быть уменьшена путем увеличения времени преобразования и последующего усреднения результатов. Шум квантования может быть снижен только путем проведения измерений с помощью АЦП большей разрядности.

Особенность сигма-дельта АЦП состоит в том, что спектр шума квантования у него распределен по частоте неравномерно — он смещен в сторону высоких частот. Поэтому, увеличивая время измерения (и, соответственно, количество выборок измеряемого сигнала), накапливая и затем усредняя полученную выборку (фильтр нижних частот), можно получить результат измерений с более высокой точностью. Естественно, при этом общее время преобразования будет возрастать.

Другие источника шума АЦП включают тепловой шум, шум составляющей 1/f и джиттер опорной частоты.

Общие гармонические искажения

Нелинейность в результатах преобразования данных приводит к появлению гармонических искажений. Такие искажения наблюдаются как «выбросы» в спектре частот на четных и нечетных гармониках измеряемого сигнала (рис. 15).

Эти искажения определяют как общие гармонические искажения (THD). Они определяются как:

Величина гармонических искажений уменьшается на высоких частотах до точки, в которой амплитуда гармоник становится меньше, чем уровень шума. Таким образом, если мы анализируем вклад гармонических искажений в результаты преобразования, это можно делать либо во всем спектре частот, ограничивая при этом амплитуду гармоник уровнем шума, либо ограничивая полосу частот для анализа. Например, если в нашей системе стоит ФНЧ, то высокие частоты нам просто неинтересны и высокочастотные гармоники не подлежат учету.

Отношение «сигнал/шум и искажения»

Отношение «сигнал/шум и искажения» (SiNAD) более полно описывает шумовые характеристики АЦП. SiNAD учитывает величину как шума, так и гармонических искажений по отношению к полезному сигналу. SiNAD рассчитывается по следующей формуле:

Динамический диапазон, свободный от гармоник

Динамический диапазон, свободный от гармоник, представляет собой разницу между величиной измеряемого сигнала и наибольшим пиком искажений (см. рис.16). Этот динамический диапазон обозначается как SFDR. Он ограничен снизу амплитудой максимальной гармоники паразитных выбросов на выходе АЦП в диапазоне его рабочих частот.

Спецификация АЦП, приводимая в технической документации на микросхемы, помогает обоснованно выбрать преобразователь для конкретного применения. В качестве примера рассмотрим спецификацию АЦП, интегрированного в новый микроконтроллер C8051F064 производства фирмы Silicon Laboratories.

Микроконтроллер C8051F064

Кристалл C8051F064 представляет собой скоростной 8-разрядный микроконтроллер для совместной обработки аналоговых и цифровых сигналов с двумя интегрированными 16-разрядными АЦП последовательных приближений. Встроенные АЦП могут работать в однопроводном и дифференциальном режимах при максимальной производительности до 1М отсчетов/сек. На рис. 17 приведены основные характеристики АЦП микроконтроллера C8051F064. Для самостоятельной оценки возможностей C8051F064 по цифровой и аналоговой обработке данных можно воспользоваться недорогим оценочным комплектом C8051F064EK (рис. 18). Комплект содержит оценочную плату на базе C8051F064, USB-кабель, документацию, а также программное обеспечение для тестирования аналоговых динамических и статических характеристик интегрированного высокоточного 16-разрядного АЦП.























VDD= 3.0 V, AV+ = 3.0 V, AVDD = 3.0 V, VREF = 2.50 V (REFBE=0), -40 to +85°, если не указано иначе
ПараметрыУсловияМин.ТипичноеМакс.Единицы измерения
Характеристики на постоянном токе
Разрядность16бит
Интегральная нелинейностьОднопроводный±0.75±2LSB
Однопроводный±0.5±1LSB
Дифференциальная нелинейностьГарантированная монотонность±+0.5LSB
Аддитивная погрешность (смещение)0.1мВ
Мультипликативная погрешность0.008% F.S.
Температурный коэффициент усиления0.5ppm/°C
Динамические характеристики (Частота дискретизации 1 Msps, AVDD, AV+ = 3.3 В)
Сигнал/шум и искаженияFin = 10 кГц, однопроводный86дБ
Fin = 100 кГц, однопроводный84дБ
Fin = 10 кГц, дифференциальный89дБ
Fin = 100 кГц, дифференциальный88дБ
Общие гармонические искаженияFin = 10 кГц, однопроводный96дБ
Fin = 100 кГц, однопроводный84дБ
Fin = 10 кГц, дифференциальный103дБ
Fin = 100 кГц, дифференциальный93дБ
Динамический диапазон, свободный от гармоникFin = 10 кГц, однопроводный97дБ
Fin = 100 кГц, однопроводный88дБ
Fin = 10 кГц, дифференциальный104дБ
Fin = 100 кГц, дифференциальный99дБ

Cписок литературы.

  1. http://www.wbc-europe.com/en/services/pim_application_guide.html
  2. www.silabs.com

5.2.     Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь– это устройстве, в котором осуществляются дискретизация и квантование и которое  преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Цифровой сигнал на выходе АЦП представлен, как правило, сигналами на шине данных.

На практике используется большое число различных типов AЦП, выполненных по разным схемам. Рассмотрим электрическая схему параллельного АЦП, часто используемого на практике (рис. 5.8).

С помощью одинаковых резисторов R1, R2 …RN создаются уровни квантования с шагом квантования, равным падению напряжения на одном резисторе. Шаг и уровни квантования зависят от значения опорного стабилизированного напряжения Е0.

Основная часть схемы АЦП – операционные усилители с резисторами и диодами. Эти усилители работают в качестве компараторов – устройств сравнения уровней двух сигналов.

Если напряжение входного сигнала на неинвертирующем входе превышает опорное напряжение на инвертирующем входе, то на выходе ОУ возникает большое поло

жительное напряжение, которое с помощью добавочно­го резистора и стабилитрона преобразуется в логическую единицу.

Если входной сигнал s(t) меньше опорного напряжения на инвертирующем входе, то на выходе операционного усилителя возникает от­рицательное напряжение, которое с помощью открывающихся диодов Dl, D2, …, DN уменьшается практически до нуля и, тем самым, преоб­разуется в логический нуль.

Если входное напряжение s(t) равно ну­лю, то на выходах компараторов формируются логические нули. При плавном увеличении уровня входного сигнала компараторы будут последовательно, начиная с нижнего (см. рис. 5.8), срабатывать, выдавая на выходах логические единицы.

Шифратор CD осуществляет преобразование кода, поступающего с компараторов, в двоичный код шины данных Д. На шифратор АЦП поступает синхросигнал, и изменения на шине данных происходят только при появлении синхроимпульса. Частота синхросигнала в этом случае будет задавать частоту дискретизации.

При быстрых изменениях входного сигнала и при наличии вре­менных задержек в операционных усилителях и других элементах схемы могут возникать сбои в работе АЦП, обусловленные появлени­ем синхросигнала в момент изменения уровней на входах шифратора. На выходе АЦП в этом случае появляется неправильный код. Для уст­ранения этого явления на входе АЦП включают дополнительное уст­ройство выборки-хранения (рис. 5.9).

Устройство (рис. 5.9) включает электронный ключ на полевом транзисторе и накопительный конден­сатор СХР. При подаче короткого положительного импульса на затвор транзистора он открывается (ключ замкнут), и напряжение на конден­саторе становится равным входному (режим выборки). После оконча­ния действия импульса полевой транзистор закрывается, и напряжение на конденсаторе сохраняется неизменным (режим хранения). В этот отрезок времени напряжение y(t) поступает на схемы сравнения и после преобразования в виде логических уровней – на вход шифратора АЦП. Синхросигнал на шифратор подается после того, как на входах шифратора устанавливается соответствующая комбинация логических уровней.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – это устройство, преобразующее последовательность входных кодов в соответствующий непрерывный выходной сигнал.

Большинство ЦАП строятся с использованием цепочки R-2R. Электрическая схема цепочки приведена на рис. 5.10.

На входе цепочки подключается источник опорного напряжения. Несложный анализ схемы показывает, что напряжения в узлах цепочки a, b, m отличаются друг от друга в два раза. Например, напряжение в точке а равно Е0 /2, так как сопротивление всех элементов цепочки, включенных между этим узлом и корпусом, равно R. Учитывая, что сопротивление между узлом а и клеммой опорного источника тоже равно R, получим резистивный делитель напряжения два раза. Аналогично доказывается, что напряжение в точке b равно Е0/4 и т.д. Чем дальше от источника расположены узлы в цепочке, тем меньше напряжение на них.

Сигнал на выходе трехразрядного ЦАП имеет вид (рис. 5.11). На вход ЦАП последовательно подаются следующие коды: 000,001,011, 010, 101, 001, 000. Выходное напряжение ЦАП имеет ступенчатый вид. Для уменьшения ступенек на выходе ЦАП обычно устанавлива­ют фильтр низких частот.

Для высокоточной цифровой обработки сигналов в измерительной технике используются АЦП с большим числом уровней квантования. Такие АЦП трудно изготовить, используя параллельную схему, так как потребуется очень большое число компараторов. Например, для десятиразрядного АЦП потребуется более 1000 компараторов. В этом случае используются АЦП, выполненные по схеме поразрядного урав­новешивания (рис. 5.12). Входной сигнал в этой схеме подается на неин­вертирующий вход компаратора К. На другой вход компаратора, для сравнения, подается опорный сигнал с ЦАП.

Блок управления БУ вырабатывает двоичный выходной код у0, y1, …,уР-1, поступающий на вход ЦАП. Суть поразрядного уравновешивания заключается в следующем.

В начале цикла преобразования блок управления вырабатывает на выходе единицу только в старшем разряде. Этот код поступает на ЦАП, и на выходе ЦАП возникает напряжение, равное примерно половине максимально-допустимого входного напряжения. Если входное напряжение больше этого одного напряжения, то компаратор вырабатывает импульс, который поступает в блок управления БУ, и единица в старшем разряде фиксируется. Если входное напряжение меньше опорного, то единица в старшем разряде сбрасывается.

На втором этапе преобразования единица устанавливается в следующем разряде уР-2, и проводится сравнение входного напряжения с новым опорным напряжением, в результате которого фиксируется или сбрасывается единица в разряде уР-2.

Процесс сравнения продолжается до тех пор, пока не установятся все р разрядов на выходе блока управления. Очевидно, что АЦП с поразрядным уравновешиванием при прочих равных условиях работает примерно в р медленнее по сравнению с параллельным АЦП.

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи устанавливаются на входе и выходе устройства цифровой обработки сигналов. Центральное место в таких устройствах занимает ЭВМ и алгоритмы ее работы.

ЦАП и АЦП Принципы построения и схемотехника

МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н.

Назначение ЦАП и АЦП

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство, предназначенное для преобразования входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентное им значение выходного напряжения.

Аналого-цифровой преобразователь – устройство, предназначенное для преобразования непрерывно изменяющейся во времени аналоговой физической величины (входного напряжения) в эквивалентное ей значение числовых кодов.

Процесс аналого-цифрового преобразования включает следующие операции:

•выборка значений входного напряжения в заданные моменты времени, то есть дискретизация сигнала во времени

•квантование – присвоение входному напряжению в моменты дискретизации значений, соответствующих заданной шкале уровней

•кодирование – замена найденных квантованных значений числовыми кодами

Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. – М.: Издательский дом «Додэка – XXI», 2007.

МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н.

Статические параметры ЦАП и АЦП

Определяют параметры статической передаточной характеристики.

Статическая передаточная характеристика (характеристика преобразования)представляет зависимостьсигналана выходеЦАП от входногокода.

Идеальнаяхарактеристикапреобразователя представляет прямую линию,на которой расположенысредние точки ступенек.

Статические погрешности вызванынеидеальностьюэлементов преобразователя и относятся к инструментальным.

МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н.

Погрешность квантования

Погрешность квантованияносит методический характер.Может быть уменьшенадо допустимой величинывыбором числа разрядовпреобразователя.

Размах погрешностиот пика до пика равен1 МР. Ее действие аналогичнодействию аддитивного шума,поэтому погрешность квантованияназываюттакже шумом квантования.

МИЭМ НИУ ВШЭ. Сафонов С.Н.

ESE206: лабораторный АЦП и ЦАП

УНИВЕРСИТЕТ ПЕНСИЛЬВАНИИ

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И СИСТЕМНОСТРОЕНИЯ

ESE
Лаборатории бакалавриата

Лаборатория электрических цепей и систем II

Аналого-цифровой (АЦП)

и Цифро-аналоговый преобразователь

Обзор

Целей:

Для разработки и изготовления простого аналого-цифрового (АЦП) и цифро-аналогового (ЦАП) преобразователя с использованием операционного усилителя.
схемы и резисторы.Вы будете применять Thvenin’s
Теорема для анализа лестничной сети R-2R. Это двухнедельная лаборатория. В первую неделю
ожидается, что вы закончите построение ADC, как показано на рисунке 7. На 2-й неделе вы
построить ЦАП и подключить АЦП к ЦАП. Вы сравните входной сигнал с
восстановленный выходной сигнал.

Фон:

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

и
Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются важными строительными блоками, которые
интерфейсные датчики (например,грамм. температура, давление, свет, звук, крейсерская скорость
автомобиль) к цифровым системам, таким как микроконтроллеры или ПК. АЦП принимает
аналоговый сигнал и преобразует его в двоичный, а ЦАП преобразует двоичный
сигнал в аналоговое значение. На рисунке 1 показан блок
схема такой системы. Примером такой системы является звуковая карта ПК.

Рисунок 1: Цифровой
система обработки с АЦП на входе и ЦАП на выходе

Сигналы датчиков непрерывно изменяются («аналоговые») в пределах указанного
Диапазон напряжения.Например, на выходе микрофона напряжение
от 0 (нет речи) до 100 мВ (для громкой речи). Любое значение
между этими двумя крайностями возможны. «Аналоговый» сигнал
необходимо преобразовать в «цифровое» слово из n битов, чтобы
считываются и обрабатываются компьютером (или цифровым сигнальным процессором — DSP). В
«аналоговые» и «цифровые» сигналы показаны на рисунке 1.

Аналого-цифровой преобразователь

АЦП принимает аналоговый вход и генерирует цифровой выход, как показано
на рисунке 2а.Чем больше бит имеет выходное слово
тем лучше разрешение. Для 3-битного АЦП количество шагов будет 8, в то время как
10-битный АЦП разделит аналоговый сигнал на 1024 (= 2 10 )
шаги.

Соотношение ввода-вывода АЦП показано на рисунке 2b для 3-битного
конвертер. Обратите внимание, что когда аналоговый входной сигнал (по горизонтальной оси)
достигнет определенного уровня, будет сгенерирован новый цифровой код (см. вертикальную
ось на рисунке 2b), которая представляет цифровой выход АЦП как функцию
аналогового входа.Максимальный аналоговый сигнал, который может выдержать АЦП
называется полной шкалой (FS), как показано на рис. 2b. Например, если
аналоговый вход равен 4 / 8xFS (Full Scale), код выхода для примера
на рисунке 2b будет (100). Однако, если увеличить величину
входной сигнал выше 4.5 / 8xFS, новый код цифрового выхода будет (101).

Рисунок 2: (а) АЦП;
(б) характеристика ввода-вывода
Аналого-цифровой преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь:

Вход в ЦАП представляет собой двоичное слово из n битов, а выход — аналоговый.
значение, как схематично показано на рисунке 3a.

Рисунок 3: (a) ЦАП
блок-схема; (б) входная-выходная характеристика ЦАП

n-битовое слово (или цифровой код) — это цифровое представление сигнала.
Связь между значением аналогового выхода и двоичным словом предназначена для
случай 3-битного кода (b 2 , b 1 , b o ),
следующим образом:

В ЦАП = K 1 (b 2 /2
+ b 1 /4 + b o /8) V исх.

В DAC = (b 2 /2
+ b 1 /4 + b o /8) FS

, в котором K 1 — шкала
фактор, V исх является опорным напряжением, FS
обозначает полную шкалу (= K 1 xV ref ), а b i обозначает
с битом цифрового слова.Бит b o называется наименее
значащий бит (LSB), а b 3 — самый старший бит (MSB). Каждый
при изменении младшего разряда аналоговый выход изменится на значение, равное FS / 2 3
для трехбитного ЦАП (или по FS / 2 N для N
бит ЦАП). В качестве примера предположим, что цифровой вход равен (101),
K 1 = 1, а эталонный V ref = 5 В. Тогда выходное напряжение будет:

В ЦАП = K (1/2 + 0/4 +1/8) В исх.
= 5 / 8xV ref = 5 / 8xFS = 3.125 В

Для каждого цифрового входа (b 2 , b 1 , b o )
будет соответствующий результат, как показано на рисунке 3b, всего 2 3
= 8 возможных цифровых слов. Обратите внимание, что только дискретные значения вывода
сигнал возможны. Чем больше битов имеет входное слово, тем меньше шаги
выходной сигнал будет (или чем лучше разрешение). Типичные АЦП имеют при
не менее 8 бит разрешения и даже от 12 до 16 бит не редкость.

Чтобы лаборатория оставалась управляемой, мы ограничим
мы построили простой 3-битный ЦАП и АЦП. Для большего количества бит можно расширить
тот же принцип с использованием большего количества компонентов. Схема, используемая в лаборатории для
построить эти преобразователи — только один из многих возможных
конструкции. Для преобразователей с более высоким разрешением требуются более сложные архитектуры.
использовал. Вы узнаете об этом больше на других занятиях.

Предварительная лаборатория
присвоение:

ЦАП:

1.Практическая схема для реализации преобразователя ЦАП — это
R-2R многозвенная сеть , как показано на рисунке 4a.

Рисунок 4: (a) R-2R
лестничная сеть; (b) Эквивалентная сеть Thvenin

Проведите подробный анализ схемы в своем ноутбуке, чтобы показать, что эквивалентное сопротивление и напряжение Thvenin, как показано на рисунке
4b, равно:

R T = R и

В T = (В 2 /2 + V 1 /4 +
V o /8)

Вы можете использовать принцип суперпозиции, чтобы найти эквивалентное напряжение Твенина.

2. Предположим, что напряжения в цепи на рис. 4 могут быть 0 или 5 В,
какое наименьшее приращение выходного напряжения В на выходе
в предыдущей схеме на рис.4 (для одного приращения двоичного числа), т.е.
значение 1 LSB (как показано на рисунке 3b)?

3. Разработайте схему интерфейса операционного усилителя, вход которой
подключается к выходу лестничной схемы R-2R, так что каждое приращение в
двоичное число вызывает увеличение (уменьшение) выходного напряжения на 1 В (или -1 В) В DAC
(е.грамм. a (001) 2 дает выход 1 В, a (011) 2 дает 3 В,
а (111) 2 дает выход 7 В). Приведите схему и расчеты
чтобы найти номиналы резисторов.

4. В лабораторном ноутбуке рассчитайте ожидаемое аналоговое выходное напряжение (при
выход схемы операционного усилителя) для каждого из
двоичные слова таблицы I

Таблица 1

b2

b1

b0

VDAC (расч.)

(Вольт)

Vout (измер.)

(Вольт)

% разн.

0

0

0

.

.

.

0

0

1

.

.

.

0

1

0

.

.

.

0

1

1

.

.

.

1

0

0

.

.

.

1

0

1

.

.

.

1

1

0

.

.

.

1

1

1

5.Нарисуйте схему, аналогичную изображенной на рисунке 3b.
в лабораторном ноутбуке, используя рассчитанные значения для V DAC .

АЦП:

6. На рисунке 5 показана схема, реализующая аналого-цифровой
Конвертер (АЦП). Эта схема принимает аналоговый сигнал и выдает цифровой выход.

Рисунок 5: Вспышка
Аналого-цифровой преобразователь

Схема состоит из 4 компараторов, инвертирующие входы которых подключены
к делителю напряжения.Компаратор — это, по сути, операционный усилитель, используемый без обратной связи. Выходы
компараторы на рисунке 5 соответствуют цифровому слову. Когда вход повышается
выше V N1 , первый компаратор будет
переключиться на высокое выходное напряжение, в результате чего загорится светодиод, что указывает на
(0001). При больших входных напряжениях выход других компараторов переключается.
тоже высокий. Для больших входных напряжений (выше В n3 ) все компараторы
будет высоким, что соответствует цифровому выходу (1111).Таким образом, компараторы
кодировать аналоговый вход как цифровое слово на шкале термометра.
Все компараторы работают параллельно, что делает этот АЦП очень
быстрый. По этой причине он называется Flash Converter.
Обратите внимание, что резистор 1 кОм был добавлен между
источник питания и выход компараторов. Это было сделано для
убедитесь, что выходное напряжение компараторов достаточно высокое (
компараторы имеют открытый коллектор — не волнуйтесь, что это значит
точка).
Рассчитайте и запишите в свой блокнот значения V ni .
когда каждый компаратор переключится.

В лаборатории
присвоение:

A. Оборудование:

  • 1. Цифровой мультиметр (HP34401A)
  • 2. Программируемый тройной выход
    блок питания (HP E3631A): 5В, -5В
  • 3. Протоборд
  • 4. Синий ящик с кабелями и
    разъемы
  • 5. Резисторы: 1кОм, 3кОм
  • 6.Потенциометр
  • 7. Десять светодиодов
  • 8. Счетверенный компаратор LM 339
    (quad = четыре устройства в одной упаковке)

B. Процедура

АЦП

  • Соберите флэш-АЦП, как показано на рисунке 7.
    Для построения схемы используйте два компаратора LM339 (спецификации) и кодировщик приоритета 74148 (спецификации). LM339 — это счетверенный компаратор, которому требуются подтягивающие резисторы для включения выходных напряжений (что такое подтягивающие резисторы?).

Рисунок 6. Распиновка кодировщика приоритета 74148 и LM339 Quad
Компаратор

Рисунок 7: Конструкция — Флэш-АЦП с использованием LM339 и
Кодер приоритета. (видео) Щелкните здесь, чтобы открыть файл в новом окне (для печати).

  • Обратите внимание на напряжения и номиналы резисторов, необходимых для построения схемы. Измените входное напряжение с помощью потенциометра R9 и
    сделайте Vref = 4V.
  • Запишите значения входа
    напряжение при включении каждого светодиода. Для этого подключите блок питания U8002 вместо входного сигнала и медленно измените вход до 4 В. Запишите значение напряжения, когда загорится каждый из светодиодов.


  • Таблица II

    У1А

    У1Б

    U1C

    У1Д ​​

    У2А

    У2Б

    U2C

    Входное напряжение, необходимое для включения светодиодов

  • Отключите источник питания, подключите генератор сигналов и настройте выходной сигнал, как показано на рисунке 7.
  • Подарите демонстрацию в лабораторию
    инструктор.

Вернуться на домашнюю страницу ESE206
Вернуться в Лабораторию бакалавриата ESE
Домашняя страница

Создано Яном Ван дер Шпигелем, 27 февраля 1997 г .;
Обновлено Сид Деливала, 8 февраля 2010 г.

Типы АЦП и ЦАП

Время сбора данных

Время сбора данных — это интервал между выходом из состояния удержания (наложенным входной схемой отслеживания и удержания) и моментом, когда напряжение на конденсаторе выборки устанавливается в пределах 1 младшего разряда от нового входного значения.Уравнение для времени сбора данных (T acq ):

, где R SOURCE — полное сопротивление источника, C SAMPLE — емкость выборки, а N — количество битов разрешения.

Наложение

В теории дискретизации частоты входного сигнала, превышающие частоту Найквиста, имеют «наложения». То есть они «загнуты назад» или воспроизведены в других положениях спектра выше и ниже частоты Найквиста. Чтобы предотвратить наложение спектров, вы должны соответствующим образом отфильтровать все нежелательные сигналы, чтобы АЦП не оцифровывал их.При недостаточной дискретизации можно использовать псевдонимы.

См. Также примечание по применению Основные сведения о фильтрах: сглаживание

Задержка апертуры

Апертурная задержка (t AD ) в АЦП — это интервал между фронтом выборки тактового сигнала (передний фронт тактового сигнала на рисунке) и моментом взятия выборки. Выборка берется, когда функция отслеживания и удержания АЦП переходит в состояние удержания.

Задержка апертуры (красный) и дрожание (синий).

Джиттер апертуры

Джиттер апертуры (t AJ ) — это изменение апертурной задержки от образца к образцу, как показано на этом рисунке.Типичные значения джиттера апертуры АЦП намного меньше, чем значения апертурной задержки.

Двоичное кодирование (униполярное)

Прямая двоичная схема — это схема кодирования, обычно используемая для униполярных сигналов. Двоичный код (от нуля до полной шкалы) находится в диапазоне от всех нулей (00 … 000) до положительного значения полной шкалы всех единиц (11 … 111). Средний масштаб представлен единицей (MSB), за которой следуют все нули (10 … 000). Этот код аналогичен двоичному кодированию со смещением, которое учитывает положительные и отрицательные значения биполярных передаточных функций.

Биполярные входы

Термин «биполярное» указывает на то, что колебание сигнала выше и ниже некоторого опорного уровня. В несимметричных системах вход обычно связан с аналоговой землей, поэтому биполярный сигнал — это сигнал, который колеблется над и под землей. В дифференциальных системах, где сигнал не привязан к земле, но где положительный вход привязан к отрицательному входу, биполярный сигнал — это сигнал, в котором положительный вход колеблется выше и ниже отрицательного входа.

Подавление синфазного сигнала (CMR)

Подавление синфазного сигнала — это способность устройства отклонять сигнал, общий для обоих входов.Синфазный сигнал может быть сигналом переменного или постоянного тока или их комбинацией. Коэффициент подавления синфазного сигнала (CMRR) — это отношение усиления дифференциального сигнала к усилению синфазного сигнала. CMRR часто выражается в децибелах (дБ).

Перекрестные помехи

Перекрестные помехи — это мера того, насколько хорошо каждый аналоговый вход изолирован от других. Для АЦП с более чем одним входным каналом перекрестные помехи — это количество сигнала, переходящего с одного аналогового входа на другой. Это значение обычно указывается в децибелах (дБ).Для ЦАП с более чем одним входным каналом перекрестные помехи — это количество шума, который появляется на выходе ЦАП при обновлении другого выходного канала ЦАП.

Ошибка дифференциальной нелинейности (DNL)

Для АЦП уровни аналогового входа, которые запускают любые два последовательных выходных кода, должны отличаться на один младший бит (DNL = 0). Любое отклонение от одного LSB определяется как DNL. Для ЦАП ошибка DNL — это разница между идеальным и измеренным выходным откликом для последовательных кодов ЦАП. Идеальный ответ ЦАП должен иметь аналоговые выходные значения с точностью до одного кода (LSB) (DNL = 0).(Спецификация DNL больше или равна 1LSB гарантирует монотонность.) (См. «Монотонность».)

DNL для АЦП и ЦАП.

См. Также примечание по применению Измерения INL / DNL для высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП)

Цифровой проходной канал

Цифровой сквозной сигнал — это шум, который появляется на выходе ЦАП при переключении линий цифрового управления. На рисунке прохождение на выходе ЦАП является результатом шума последовательного тактового сигнала.

Цифровой проходной канал.

Динамический диапазон

Обычно выражается в дБ, динамический диапазон определяется как диапазон между минимальным уровнем шума устройства и его заданным максимальным выходным уровнем. Динамический диапазон АЦП — это диапазон амплитуд сигнала, который может разрешить АЦП; АЦП с динамическим диапазоном 60 дБ может разрешать амплитуды сигналов от x до 1000x. Динамический диапазон важен в приложениях связи, где сила сигнала сильно различается. Если сигнал слишком велик, он выходит за пределы диапазона входа АЦП. Если сигнал слишком мал, он теряется в шуме квантования преобразователя.

Эффективное количество бит (ENOB)

ENOB определяет динамические характеристики АЦП при определенной входной частоте и частоте дискретизации. Ошибка идеального АЦП состоит только из шума квантования. По мере увеличения входной частоты общий шум (особенно в компонентах искажения) также увеличивается, тем самым уменьшая ENOB и SINAD. (См. «Отношение сигнал-шум и искажение (SINAD).») ENOB для полномасштабной синусоидальной формы входного сигнала вычисляется из:

Выходы для определения силы

Это метод измерения, при котором напряжение (или ток) вызывается в удаленной точке цепи, а результирующий ток (или напряжение) измеряется (считывается).Например, ЦАП со встроенными выходными усилителями иногда включают в себя выходы с функцией определения усилия. Инвертирующий вход выходного усилителя доступен для внешнего подключения, и путь обратной связи должен быть замкнут снаружи.

Полоса пропускания при полной мощности (FPBW)

АЦП работает с аналоговым входом, равным или близким к указанной полной амплитуде преобразователя. Входная частота увеличивается до точки, в которой амплитуда результата оцифрованного преобразования уменьшается на 3 дБ. Эта входная частота определяется как ширина полосы входного сигнала полной мощности.

Ошибка полной шкалы (FS)

Ошибка полной шкалы — это разница между фактическим значением, которое запускает переход к полной шкале, и идеальным аналоговым значением перехода полной шкалы. Ошибка полной шкалы равна ошибке смещения + ошибка усиления, как показано на этом рисунке.

Ошибка полной шкалы АЦП и ЦАП.

Ошибка усиления FS (ЦАП)

Погрешность полной шкалы усиления цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) — это разница между фактическим и идеальным диапазоном выходного сигнала. Фактический диапазон определяется выходом, когда все входы установлены на 1 с, минус выход, когда все входы установлены на 0 с.На ошибку полного усиления любого преобразователя данных может влиять выбор эталона, используемого для измерения ошибки усиления.

Ошибка усиления

Ошибка усиления АЦП или ЦАП показывает, насколько хорошо наклон фактической передаточной функции совпадает с наклоном идеальной передаточной функции. Ошибка усиления обычно выражается в младших разрядах или в процентах от полного диапазона (% FSR), и ее можно откалибровать с помощью оборудования или программного обеспечения. Ошибка усиления — это ошибка полной шкалы за вычетом ошибки смещения.

Ошибка усиления для АЦП и ЦАП.

Дрейф ошибки усиления

Дрейф ошибки усиления — это изменение ошибки усиления из-за изменения температуры окружающей среды, обычно выражаемое в ppm / ° C.

Согласование усиления

Согласование усиления показывает, насколько хорошо коэффициенты усиления всех каналов в многоканальном АЦП согласованы друг с другом. Чтобы вычислить согласование усиления, примените один и тот же входной сигнал ко всем каналам и укажите максимальное отклонение усиления, обычно в дБ.

Импульс сбоя

Импульс глитча — это переходный процесс напряжения, который появляется на выходе ЦАП, когда происходит переход основного переноса.Обычно измеряется в нВ • с, он равен площади под кривой на графике зависимости напряжения от времени.

Гармоника

Гармоника периодического сигнала — это синусоида, кратная основной частоте сигнала.

Ошибка интегральной нелинейности (INL)

Для преобразователей данных INL — это отклонение фактической передаточной функции от прямой линии. После обнуления ошибок смещения и усиления прямая линия является либо наиболее подходящей прямой, либо линией, проведенной между конечными точками передаточной функции.INL часто называют «относительной точностью».

См. Также примечание по применению Измерения INL / DNL для высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

INL для АЦП и ЦАП.

Интермодуляционные искажения (IMD)

Интермодуляционные искажения — это явление, при котором нелинейность в цепи или устройстве создает новые частотные компоненты, отсутствующие в исходном сигнале. Интермодуляционные искажения включают эффекты гармонических искажений и двухтональных искажений. Он измеряется как полная мощность выбранных интермодуляционных составляющих (т.е.е., от IM2 до IM5) к полной мощности двух входных сигналов, f1 и f2. Сигналы f1 и f2 имеют одинаковую амплитуду и очень близки друг к другу по частоте. Продукты интермодуляции 2-5-го порядка следующие:

  • Продукты интермодуляции 2-го порядка (IM2): f1 + f2, f2 — f1
  • Продукты интермодуляции 3-го порядка (IM3): 2 x f1 — f2, 2 x f2 — f1, 2 x f1 + f2, 2 x f2 + f1
  • Продукты интермодуляции 4-го порядка (IM4): 3 x f1 — f2, 3 x f2 — f1, 3 x f1 + f2, 3 x f2 + f1
  • Продукты интермодуляции 5-го порядка (IM5): 3 x f1 — 2 x f2, 3 x f2 — 2 x f1, 3 x f1 + 2 x f2, 3 x f2 + 2 x f1.
Младший значащий бит (LSB)

В двоичном числе младший бит является наименее взвешенным битом в группе. Обычно младший бит — это самый дальний правый бит. Для АЦП или ЦАП вес младшего разряда равен полному диапазону напряжения преобразователя, деленному на 2 N , где N — разрешающая способность преобразователя. Для 12-разрядного АЦП с униполярным полномасштабным напряжением 2,5 В, 1 LSB = (2,5 В / 2 12 ) = 610 мкВ

Переход с основным переносом

При переходе к главному переносу (примерно в середине шкалы) либо старший бит изменяется с низкого на высокий, а все другие биты меняются с высокого на низкий, либо старший бит изменяется с высокого на низкий, а все остальные биты меняются с низкого на высокий.Например, от 01111111 до 10000000 — это переход с основным переносом. Переходы с основным переносом часто создают наихудший шум переключения. (См. Импульсный импульс.)

Монотонный

Последовательность монотонно увеличивается, если для каждого n Pn + 1 больше или равно Pn. Точно так же последовательность монотонно убывает, если для каждого n Pn + 1 меньше или равно Pn. ЦАП является монотонным, если аналоговый выход всегда увеличивается по мере увеличения входного кода ЦАП. АЦП является монотонным, если код цифрового выхода всегда увеличивается по мере увеличения аналогового входа АЦП.Преобразователь гарантированно монотонный, если ошибка DNL не превышает ± 1 LSB

Старший значащий бит (MSB)

В двоичном числе старший бит является самым весомым битом числа. Обычно старший бит является крайним левым битом.

Умножающий ЦАП (MDAC)

Умножающий ЦАП позволяет подавать сигнал переменного тока на опорный вход. Подавая интересующий сигнал на опорный вход и используя коды ЦАП для масштабирования сигнала, ЦАП можно использовать в качестве цифрового аттенюатора.

Нет отсутствующих кодов

У АЦП нет пропущенных кодов, если он вырабатывает все возможные цифровые коды в ответ на линейный сигнал, подаваемый на аналоговый вход.

Частота Найквиста

Принцип Найквиста гласит, что для полного представления аналогового сигнала без эффектов наложения спектров частота дискретизации АЦП должна быть как минимум в два раза больше максимальной ширины полосы сигнала. Эта максимальная полоса пропускания называется частотой Найквиста.

Смещение двоичного кодирования

Двоичное смещение — это схема кодирования, часто используемая для биполярных сигналов. В двоичном кодировании смещения наиболее отрицательное значение (отрицательная полная шкала) представлено всеми нулями (00 … 000), а наиболее положительное значение (положительное значение полной шкалы) представлено всеми единицами (11…111). Нулевая шкала представлена ​​единицей (MSB), за которой следуют все нули (10 … 000). Эта схема аналогична прямому двоичному кодированию, которое обычно используется для униполярных сигналов. (См. Двоичное кодирование, униполярное.)

Ошибка смещения (биполярное)

Измерение ошибки смещения в биполярных преобразователях аналогично измерению ошибки смещения в униполярных преобразователях. Однако ошибка, измеренная при нулевой шкале, находится в средней точке биполярных передаточных функций. (См. Ошибка смещения (униполярный).)

Ошибка смещения (униполярный)

Ошибка смещения, часто называемая ошибкой «нулевой шкалы», указывает, насколько хорошо фактическая передаточная функция соответствует идеальной передаточной функции в одной точке.Для идеального преобразователя данных первый переход происходит при 0,5 LSB выше нуля. Для АЦП напряжение нулевой шкалы подается на аналоговый вход и увеличивается до тех пор, пока не произойдет первый переход. Для ЦАП ошибка смещения — это реакция аналогового выхода на входной код, состоящий из нулей.

Ошибка смещения для АЦП и ЦАП.

Дрейф ошибки смещения

Дрейф ошибки смещения — это изменение ошибки смещения из-за изменения температуры окружающей среды, обычно выражаемое в ppm / ° C.

Передискретизация

Для АЦП дискретизация аналогового входа с частотой, намного превышающей частоту Найквиста, называется передискретизацией.Передискретизация улучшает динамические характеристики АЦП за счет эффективного снижения минимального уровня шума. Улучшение динамических характеристик, в свою очередь, приводит к более высокому разрешению. Передискретизация — это основа сигма-дельта АЦП.

См. Также примечание по применению, проясняющее сигма-дельта АЦП

Фазовое согласование

Фазовое согласование показывает, насколько хорошо согласованы фазы идентичных сигналов, подаваемых на все каналы в многоканальном АЦП. Фазовое согласование — это максимальное отклонение фазы среди всех каналов, которое обычно указывается в градусах.

Отклонение блока питания (PSR)

Коэффициент подавления источника питания (PSRR) — это отношение изменения напряжения источника питания постоянного тока к результирующему изменению погрешности полной шкалы, выраженное в дБ.

Ошибка квантования

Для АЦП ошибка квантования определяется как разница между фактическим аналоговым входом и цифровым представлением этого значения. (См. «Квантование».)

Ратиометрическое измерение

Вместо постоянной многозначных опорного напряжения, фракция сигнала, подаваемого на преобразователь (I.е., тензодатчик или мост) подается на вход опорного напряжения АЦП. Этот тип измерения, называется ратиометрическим, устраняет любые ошибки, вносимые изменения в опорном напряжении. Пример логометрического измерения с использованием резистивного моста показан на рисунке ниже.

Ратиометрическое измерение с использованием резистивной мостовой схемы.

Разрешение

Разрешение АЦП — это количество битов, используемых для представления аналогового входного сигнала. Чтобы более точно воспроизвести аналоговый сигнал, необходимо увеличить разрешение.Использование АЦП с более высоким разрешением также снижает ошибку квантования. Для ЦАП разрешение аналогичное, но обратное: увеличение кода, применяемого к ЦАП с более высоким разрешением, приводит к уменьшению размера шага на аналоговом выходе.

Среднеквадратичное значение (RMS)

Среднеквадратичное значение сигнала переменного тока является эффективным значением постоянного тока или эквивалентом постоянного тока этого сигнала. Среднеквадратичное значение сигнала переменного тока вычисляется путем извлечения квадратного корня из формы сигнала переменного тока, возведения в квадрат и усреднения по времени. Для синусоиды значение RMS составляет 2/2 (или 0.707), умноженное на пиковое значение, что в 0,354 раза больше размаха.

Частота / частота дискретизации

Частота дискретизации или частота дискретизации, указанная в отсчетах в секунду (sps), — это скорость, с которой АЦП получает (отсчитывает) аналоговый вход. Для АЦП, которые выполняют одну выборку на преобразование (например, SAR, флэш-память и конвейерные АЦП), частота дискретизации также называется пропускной способностью. Для сигма-дельта АЦП частота дискретизации обычно намного выше, чем скорость выходных данных.

Время установления

Для ЦАП время установления — это интервал между командой на обновление (изменение) своего выходного значения и моментом достижения им своего окончательного значения в пределах указанного процента.Время установления зависит от скорости нарастания выходного усилителя, а также от количества вызывных сигналов усилителя и выброса сигнала. Для АЦП важно, чтобы время, необходимое для установления напряжения на конденсаторе выборки с точностью до 1 младшего разряда, было меньше времени сбора данных преобразователем.

Отношение сигнал-шум и искажение (SINAD)

SINAD — это отношение среднеквадратичного значения синусоиды (вход для АЦП или восстановленный выход для ЦАП) к среднеквадратичному значению шума преобразователя плюс искажения (без синусоиды).Среднеквадратичный шум плюс искажение включает все спектральные компоненты вплоть до частоты Найквиста, за исключением основной гармоники и смещения постоянного тока. SINAD обычно выражается в дБ.

Отношение сигнал / шум (SNR)

SNR — это отношение амплитуды полезного сигнала к амплитуде шумовых сигналов в данный момент времени. Для сигнала, точно восстановленного из цифровых отсчетов, теоретический максимальный SNR — это отношение полномасштабного аналогового входа (среднеквадратичное значение) к среднеквадратичной ошибке квантования (остаточная ошибка).Идеальный теоретический минимальный шум АЦП вызван только ошибкой квантования и напрямую зависит от разрешения АЦП (N бит):

(Фактические АЦП создают тепловой шум, эталонный шум, джиттер тактовых импульсов и т. Д. В дополнение к шуму квантования. )

Двоичное кодирование со знаком

Знаковый двоичный код — это схема кодирования, в которой старший бит представляет знак (положительный или отрицательный) двоичного числа. Таким образом, 8-битное представление -2 — это 10000010, а представление +2 — это 00000010.

Скорость нарастания
Скорость нарастания — это максимальная скорость, с которой может изменяться выход ЦАП, или максимальная скорость, с которой может изменяться вход АЦП, не вызывая ошибки в оцифрованном выходе. Для ЦАП с выходным усилителем указанная скорость нарастания напряжения обычно соответствует скорости нарастания усилителя.

Ширина полосы слабого сигнала (SSBW)

Для измерения SSBW подайте на АЦП аналоговый входной сигнал с достаточно малой амплитудой, чтобы его скорость нарастания не ограничивала характеристики АЦП. Затем разверните входную частоту до точки, в которой амплитуда результата оцифрованного преобразования уменьшится на -3 дБ.SSBW часто ограничивается характеристиками связанного усилителя с отслеживанием и удержанием.

Динамический диапазон без паразитных составляющих (SFDR)

SFDR — это отношение среднеквадратичной амплитуды основной гармоники (максимальной составляющей сигнала) к среднеквадратичному значению следующей по величине паразитной составляющей, исключая смещение постоянного тока. SFDR указывается в децибелах относительно несущей (дБн).

Полный коэффициент гармонических искажений (THD)

THD измеряет содержание искажения сигнала и указывается в децибелах относительно несущей (дБн).Для АЦП THD — это отношение суммы RMS выбранных гармоник входного сигнала к самой основной гармонике. В измерение включаются только гармоники в пределах предела Найквиста.

Отслеживание и удержание

Отслеживание и удержание, часто называемое «выборкой и удержанием», относится к схеме дискретизации входного сигнала АЦП. Наиболее простое представление входа с отслеживанием и удержанием — это аналоговый переключатель и конденсатор. (См. Рисунок.) При замкнутом переключателе цепь находится в режиме «трека». Когда переключатель размыкается, последнее мгновенное значение входа сохраняется на конденсаторе выборки, и схема находится в режиме «удержания».

Базовая система отслеживания и удержания.

Шум перехода

Шум перехода — это диапазон входных напряжений, которые заставляют выход АЦП переключаться между соседними выходными кодами. По мере увеличения аналогового входного напряжения напряжения, которые определяют, где происходит каждый кодовый переход (края кода), становятся неопределенными из-за связанного шума перехода.

Кодирование с дополнением до двух

Дополнение до двух — это схема цифрового кодирования положительных и отрицательных чисел, которая упрощает вычисления сложения и вычитания.В этой схеме 8-битное представление -2 — это 11111110, а представление +2 — это 00000010.

Недодискретизация

Недодискретизация — это метод, при котором частота дискретизации АЦП ниже, чем частота аналогового входа — условие, вызывающее наложение спектров. Учитывая критерий Найквиста, естественно ожидать, что недостаточная выборка приведет к потере информации о сигнале. Однако при правильной фильтрации входного сигнала и правильном выборе аналогового входа и частот дискретизации компоненты с наложением спектров, которые содержат информацию о сигнале, могут быть сдвинуты с более высокой частоты на более низкую частоту, а затем преобразованы.В этом методе АЦП эффективно используется в качестве понижающего преобразователя, сдвигающего сигналы с более высокой полосой пропускания в желаемую полосу частот АЦП. Для того, чтобы этот метод был успешным, ширина полосы отслеживания и удержания АЦП должна быть способна обрабатывать ожидаемые сигналы с самой высокой частотой.

Униполярный

Для АЦПА с однополярным аналоговым входом, однополярный вход в диапазон от нулевого масштаба (обычно земли) до полной шкалы (обычно опорное напряжение). Для АЦП с дифференциальными входами униполярный вход находится в диапазоне от нуля до полной шкалы, причем входной сигнал измеряется как положительный вход по отношению к отрицательному входу.

Ошибка нулевой шкалы

См. Погрешность смещения (униполярный).

Как работает цифро-аналоговый преобразователь?

Обновлено 27 декабря 2020 г.

Автор: С. Хуссейн Атер

Электроника и оборудование, которые вы используете в повседневной жизни, должны преобразовывать данные и источники ввода в другие форматы. Для цифрового аудиооборудования способ воспроизведения звука из файла MP3 зависит от преобразования данных из аналогового в цифровой формат.Эти цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) принимают входные цифровые данные и преобразуют их для этих целей в аналоговые аудиосигналы.

Как работают цифро-аудиопреобразователи

Звук, который производит это аудиооборудование, является аналоговой формой входных цифровых данных. Эти преобразователи позволяют преобразовывать аудио из цифрового формата, простого в использовании типа аудио, который используется компьютерами и другой электроникой, в аналоговый формат, состоящий из изменений давления воздуха, которые производят звук.

ЦАП принимают двоичное число цифровой формы звука и преобразуют его в аналоговое напряжение или ток, которые, когда это делается полностью в течение песни, могут создавать звуковую волну, представляющую цифровой сигнал.Он создает аналоговую версию цифрового звука «шагами» каждого цифрового чтения.

Перед созданием звука ЦАП создает ступенчатую волну. Это волна, в которой есть небольшой «скачок» между каждым цифровым считыванием. Чтобы преобразовать эти скачки в плавное, непрерывное аналоговое считывание, ЦАП используют интерполяцию. Это метод просмотра двух точек рядом друг с другом на волне ступенчатой ​​лестницы и определения значений между ними.

Это делает звук ровным и менее искаженным.ЦАП выводят эти напряжения, которые сглаживаются в непрерывную форму волны. В отличие от ЦАП, микрофон, который улавливает аудиосигналы, использует аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для создания цифрового сигнала.

Учебное пособие по АЦП и ЦАП

В то время как ЦАП преобразует цифровой двоичный сигнал в аналоговый, такой как напряжение, АЦП делает обратное. Он берет аналоговый источник и преобразует его в цифровой. При совместном использовании для ЦАП преобразователь и преобразователь АЦП могут составлять значительную часть технологии аудиотехники и записи.То, как они оба используются, позволяет создавать приложения в коммуникационных технологиях, о которых вы можете узнать из учебника по АЦП и ЦАП.

Точно так же, как переводчик может преобразовывать слова в другие слова между языками, АЦП и ЦАП работают вместе, позволяя людям общаться на больших расстояниях. Когда вы звоните кому-нибудь по телефону, ваш голос с помощью микрофона преобразуется в аналоговый электрический сигнал.

Затем АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой.Цифровые токи отправляются через сетевые пакеты, и, когда они достигают места назначения, они преобразуются обратно в аналоговый электрический сигнал с помощью ЦАП.

Эти конструкции должны учитывать особенности связи через АЦП и ЦАП. Количество измерений, которые ЦАП выполняет каждую секунду, является частотой дискретизации или частотой дискретизации. Более высокая частота дискретизации позволяет устройствам достичь большей точности. Инженеры также должны создавать оборудование с большим количеством ботов, которые представляют количество шагов, используемых, как описано выше, для представления напряжения в данный момент времени.

Чем больше шагов, тем выше разрешение. Вы можете определить разрешение, взяв 2 в степени числа битов ЦАП или АЦП, которые создают аналоговый или цифровой сигнал соответственно. Для 8-битного АЦП разрешение будет 256 шагов.

Формула цифро-аналогового преобразователя

••• Syed Hussain Ather

Преобразователь ЦАП преобразует двоичное значение в значение напряжения. Это значение представляет собой выходное напряжение, как показано на диаграмме выше. Вы можете рассчитать выходное напряжение как

V_ {out} = \ frac {V_4G_4 + V_3G_3 + V_2G_2 + V_1G_1} {G_4 + G_3 + G_2 + G_1}

для напряжений V на каждом аттенюаторе и проводимости G Каждого аттенюатора.Аттенюаторы являются частью процесса создания аналогового сигнала для уменьшения искажений. Они подключены параллельно, поэтому каждая отдельная проводимость суммируется с помощью этой формулы цифро-аналогового преобразователя.

Вы можете использовать теорему Тевенина, чтобы связать сопротивление каждого аттенюатора с его проводимостью. Сопротивление Тевенина составляет

R_t = \ frac {1} {G_4 + G_3 + G_2 + G_1}

Теорема Тевенина гласит: «Любая линейная цепь, содержащая несколько напряжений и сопротивлений, может быть заменена одним единственным напряжением в серия с одним сопротивлением, подключенным к нагрузке.«Это позволяет вам вычислять величины из сложной схемы, как если бы она была простой.

Помните, что вы также можете использовать закон Ома, V = IR для напряжения V, тока I и сопротивления R при работе с этими схемами и любой формулой цифро-аналогового преобразователя. Если вам известно сопротивление преобразователя ЦАП, вы можете использовать схему с преобразователем ЦАП для измерения выходного напряжения или тока.

Архитектура АЦП

Есть многие популярные архитектуры АЦП, такие как регистр последовательного приближения (SAR), дельта-сигма (∆∑) и конвейерные преобразователи.SAR превращает входной аналоговый сигнал в цифровой, «удерживая» сигнал. Это означает поиск непрерывного аналогового сигнала посредством двоичного поиска, который просматривает все возможные уровни квантования, прежде чем найти цифровой выход для каждого преобразования.

Квантование — это метод отображения большого набора входных значений из непрерывного сигнала в выходные значения, количество которых меньше. АЦП последовательного приближения обычно просты в использовании, они потребляют меньше энергии и имеют высокую точность.

Дельта-сигма конструкции находят среднее значение выборки за время, которое она использует в качестве входного цифрового сигнала.Среднее значение разницы во времени самого сигнала представлено греческими символами дельта (∆) и сигма (∑), что дало ему название. Этот метод АЦП имеет высокое разрешение и высокую стабильность при низком потреблении энергии и стоимости.

Наконец, конвейерные преобразователи используют два каскада, которые «удерживают» его, как методы SAR, и отправляют сигнал через различные стадии, такие как импульсные АЦП и аттенюаторы. Флэш-АЦП сравнивает каждый сигнал входного напряжения за небольшой промежуток времени с опорным напряжением для создания двоичного цифрового выхода.Сигналы конвейера обычно имеют более широкую полосу пропускания, но с более низким разрешением и требуют большей мощности для работы.

Цифро-аналоговый преобразователь в рабочем состоянии

Одна из широко используемых схем ЦАП — это сеть R-2R. Здесь используются резисторы двух номиналов, один из которых в два раза больше другого. Это позволяет легко масштабировать R-2R как метод использования резисторов для ослабления и преобразования входного цифрового сигнала и обеспечения работы цифро-аналогового преобразователя.

Двоично-взвешенный резистор — еще один распространенный пример ЦАП.В этих устройствах используются резисторы с выходами, которые встречаются на единственном резисторе, который суммирует сопротивления. Более значимые части входного цифрового тока дают больший выходной ток. Больше бит этого разрешения позволит протекать большему току.

Практическое применение преобразователей

MP3 и компакт-диски хранят аудиосигналы в цифровых форматах. Это означает, что ЦАП используются в проигрывателях компакт-дисков и других цифровых устройствах, которые воспроизводят звуки, похожие на звуковые карты для компьютеров и видеоигр.ЦАП, которые создают аналоговый линейный выход, могут использоваться в усилителях или даже USB-динамиках.

Эти применения ЦАП обычно полагаются на постоянное входное напряжение или ток для создания выходного напряжения и приведения в действие цифро-аналогового преобразователя. Умножающие ЦАП могут использовать различные источники входного напряжения или тока, но у них есть ограничения на полосу пропускания, которую они могут использовать.

Архитектура цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и ее приложения

Зачем нам нужны преобразователи данных? В реальном мире большинство данных доступно в виде аналоговых данных.У нас есть два типа преобразователей аналого-цифровой преобразователь и цифро-аналоговый преобразователь. При манипулировании данными эти два интерфейса преобразования необходимы для цифрового электронного оборудования и аналогового электрического устройства, которые должны обрабатываться процессором для выполнения требуемой операции.

Например, возьмите иллюстрацию DSP ниже. АЦП преобразует аналоговые данные, собранные оборудованием ввода звука, таким как микрофон (датчик), в цифровой сигнал, который может обрабатываться компьютером.Компьютер может добавлять звуковые эффекты. Теперь ЦАП преобразует цифровой звуковой сигнал обратно в аналоговый сигнал, который используется оборудованием вывода звука, например динамиком.

Обработка аудиосигнала

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — это устройство, преобразующее цифровые данные в аналоговый сигнал. Согласно теореме выборки Найквиста-Шеннона, любые выборочные данные могут быть идеально восстановлены с использованием полосы пропускания и критериев Найквиста.

ЦАП может с точностью преобразовывать дискретизированные данные в аналоговый сигнал.Цифровые данные могут быть получены с помощью микропроцессора, специализированной интегральной схемы (ASIC) или программируемой вентильной матрицы (FPGA), но в конечном итоге данные требуют преобразования в аналоговый сигнал для взаимодействия с реальным миром.

Базовый цифро-аналоговый преобразователь

Архитектура цифро-аналогового преобразователя

Существует два метода, обычно используемых для цифро-аналогового преобразования: метод взвешенных резисторов и метод лестничной схемы R-2R.

ЦАП с использованием метода взвешенных резисторов

На приведенной ниже схеме показан ЦАП с использованием взвешенных резисторов.Основная операция ЦАП — это возможность добавлять входы, которые в конечном итоге будут соответствовать вкладам различных битов цифрового входа. В области напряжения, то есть если входными сигналами являются напряжения, сложение двоичных разрядов может быть достигнуто с помощью инвертирующего суммирующего усилителя, показанного на рисунке ниже.

Двоично-взвешенные резисторы DAC

В области напряжения, то есть если входными сигналами являются напряжения, сложение двоичных разрядов может быть достигнуто с помощью инвертирующего суммирующего усилителя, показанного на рисунке выше.

Входные резисторы операционного усилителя имеют значения сопротивления, взвешенные в двоичном формате. Когда прием бинарные 1 переключатель соединяет резистор к опорному напряжению. Когда логическая схема получает двоичный 0, переключатель подключает резистор к земле. Все биты цифрового входа одновременно подаются на ЦАП.

ЦАП генерирует аналоговое выходное напряжение, соответствующее заданному сигналу цифровых данных. Для ЦАП заданное цифровое напряжение равно b3 b2 b1 b0, где каждый бит представляет собой двоичное значение (0 или 1).Выходное напряжение, создаваемое на выходной стороне, составляет

V0 = R0 / R (b3 + b2 / 2 + b1 / 4 + b0 / 8) Vref

По мере увеличения числа битов в цифровом входном напряжении диапазон номиналы резисторов становятся большими и соответственно ухудшается точность.

Релейный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) R-2R

Релейный преобразователь R-2R построен как двоично-взвешенный ЦАП, в котором используется повторяющаяся каскадная структура значений резисторов R и 2R. Это улучшает точность из-за относительной простоты изготовления резисторов с одинаковым номиналом (или источников тока).

ЦАП с релейной логикой R-2R

На приведенном выше рисунке показан 4-битный ЦАП с релейной логикой R-2R. Для достижения высокой точности мы выбрали номиналы резисторов R и 2R. Пусть двоичное значение B3 B2 B1 B0, если b3 = 1, b2 = b1 = b0 = 0, то схема, показанная на рисунке ниже, представляет собой упрощенный вид указанной выше схемы ЦАП. Выходное напряжение равно V0 = 3R (i3 / 2) = Vref / 2

Аналогично, если b2 = 1 и b3 = b1 = b0 = 0, то выходное напряжение равно V0 = 3R (i2 / 4) = Vref / 4, и схема упрощена, как показано ниже.

Если b1 = 1 и b2 = b3 = b0 = 0, то схема, показанная на рисунке ниже, является упрощенной формой указанной выше схемы ЦАП.Выходное напряжение равно V0 = 3R (i1 / 8) = Vref / 8

Наконец, ниже показана схема, соответствующая случаю, когда b0 = 1 и b2 = b3 = b1 = 0. Выходное напряжение равно V0 = 3R (i0 / 16) = Vref / 16

Таким образом, мы можем обнаружить, что когда входными данными являются b3b2b1b0 (где отдельные биты равны 0 или 1), то выходное напряжение равно

. Применение цифроаналогового преобразователя

ЦАП

используются во многих приложениях для обработки цифровых сигналов и во многих других приложениях. Некоторые из важных приложений обсуждаются ниже.

Усилитель звука

ЦАП используются для создания усиления постоянного напряжения с помощью команд микроконтроллера. Часто ЦАП включается в целый аудиокодек, который включает в себя функции обработки сигналов.

Видеокодер

Система видеокодера будет обрабатывать видеосигнал и отправлять цифровые сигналы на различные ЦАП для создания аналоговых видеосигналов различных форматов наряду с оптимизацией выходных уровней. Как и в случае с аудиокодеками, эти ИС могут иметь встроенные ЦАП.

Дисплейная электроника

Графический контроллер обычно использует справочную таблицу для генерации сигналов данных, отправляемых на видео ЦАП для аналоговых выходов, таких как красный, зеленый, синий (RGB) сигналы для управления дисплеем.

Системы сбора данных

Измеряемые данные оцифровываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и затем отправляются в процессор. Сбор данных также будет включать в себя конец управления процессом, в котором процессор отправляет данные обратной связи в ЦАП для преобразования в аналоговые сигналы.

Калибровка

ЦАП обеспечивает динамическую калибровку усиления и смещения напряжения для обеспечения точности в испытательных и измерительных системах.

Управление двигателем

Для многих устройств управления двигателем требуются сигналы управления напряжением, и для этого приложения идеально подходит ЦАП, который может управляться процессором или контроллером.

Приложение для управления двигателем

Система распределения данных

Многие промышленные и производственные линии требуют наличия нескольких программируемых источников напряжения, которые могут генерироваться группой мультиплексированных ЦАП.Использование ЦАП позволяет динамически изменять напряжения во время работы системы.

Цифровой потенциометр

Практически все цифровые потенциометры основаны на архитектуре струнного ЦАП. После некоторой реорганизации матрицы резисторов / переключателей и добавления интерфейса, совместимого с I2C, можно реализовать полностью цифровой потенциометр.

Программное обеспечение Радио

ЦАП используется с цифровым сигнальным процессором (DSP) для преобразования сигнала в аналоговый для передачи в схеме смесителя, а затем в усилитель мощности и передатчик радио.

Таким образом, в этой статье обсуждается цифро-аналоговый преобразователь и его приложения. Мы надеемся, что вы лучше понимаете эту концепцию. Кроме того, любые вопросы относительно этой концепции или реализации электрических и электронных проектов, пожалуйста, дайте свои ценные предложения, комментируя в разделе комментариев ниже. Вот вопрос к вам, как мы можем преодолеть низкую точность ЦАП с двоичными взвешенными резисторами?

АНАЛОГ НА ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — как работает АЦП?

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП), как следует из названия, представляет собой электронное устройство, которое преобразует непрерывные изменяющиеся во времени аналоговые сигналы в дискретные цифровые сигналы, так что они могут быть легко считаны цифровыми устройствами.Он имеет множество применений в проектах электроники. АЦП преобразует физические величины реального явления в цифровой язык, который используется в системах управления, вычислениях данных, передаче данных и обработке информации. На рисунке ниже показано соотношение ввода / вывода АЦП.

Определения входа и выхода аналого-цифрового преобразователя

Аналого-цифровой преобразователь Введение

Обычно преобразователи также используются для преобразования входных аналоговых переменных в форму токов или напряжений.В основном, здесь используются двоичные числа i, e «0» и «1». «0» указывает состояние «выключено», а «1» представляет состояние «включено». Следовательно, все аналоговые значения преобразуются в цифровые двоичные значения с помощью АЦП. Например, если нам необходимо установить в доме или на каком-либо объекте сигнализацию, функция которой — срабатывать в случае пожара или перегрева. Вся наша система сигнализации будет электронной, но датчик температуры будет давать аналоговые значения на выходе после измерения температуры. Следовательно, чтобы преобразовать изменяющиеся значения температуры в цифровые или дискретные значения, мы должны использовать аналого-цифровой преобразователь.

Процесс аналого-цифрового преобразования и как работает АЦП?

В основном аналого-цифровое преобразование состоит из двух этапов:

  1. S / H: выборка и удержание
  2. Q / E: квантование и кодирование

Процесс АЦП показан на рисунке ниже:

Процесс АЦП

Отбор и хранение проб

Аналоговый сигнал непрерывно изменяется со временем, чтобы измерить сигнал, мы должны поддерживать его устойчивым в течение короткого времени, чтобы его можно было дискретизировать.Мы могли многократно и очень быстро измерять сигнал, а затем находить правильную шкалу времени. или мы могли бы измерить сигнал в разное время, а затем усреднить его. Или, что лучше, мы можем удерживать сигнал в течение определенного времени, а затем оцифровать сигнал и сделать выборку значения. Это выполняется схемой выборки и хранения. По крайней мере, в течение времени, необходимого для оцифровки, он сохраняет значение стабильным. На рисунке показана схема выборки и удержания сигнала.

Схема отбора и выдержки

Мы держим переключатель нормально разомкнутым, и когда мы хотим найти измерение, мы на мгновение замыкаем переключатель.

Квантование и кодирование

На выходе (S / H) присутствует определенный уровень напряжения. Присваиваем ему числовое значение. Ищется ближайшее значение, соответствующее амплитуде сигнала выборки и удержания. И это значение не может быть просто любым значением, оно должно быть из ограниченного набора возможных значений. Это зависит от диапазона квантователя и диапазона, указанного в степени 2 i, e 2 n (2 8 = 256, 2 10 = 1024 и т. Д.).

После определения ближайшего значения ему присваивается числовое значение, которое кодируется в виде двоичного числа. Двоичные закодированные числа, генерируемые квантователем, представлены «n» битами. Разрешающая способность АЦП также может быть обозначена как «n» бит. На рисунке показан весь процесс преобразования:

Выборка, хранение и квантование

Нельзя сказать, что значения, полученные после процесса квантования и кодирования, являются полностью точными. Это только приближения к реальным мировым ценностям.Точность квантователя сильно зависит от разрешения квантователя, чем больше разрешение, тем точнее будут значения. Разрешающая способность АЦП ограничена рядом ограничений, из которых время является основной проблемой. Если набор возможных значений, из которых нужно искать ближайшее значение, больше, то это наверняка займет больше времени. Но чтобы ускорить этот процесс, было разработано больше методов.

В следующей таблице показаны характеристики различных n-разрядных АЦП.Если количество бит больше, то частота меньше и затраченное время также больше. С другой стороны, ошибка минимизируется при увеличении количества битов. Максимальные частоты дискретизации также указаны в таблице.

Шаги АЦП

Типы АЦП

Наиболее распространенные типы доступных аналого-цифровых преобразователей:

  1. Flash аналого-цифровой преобразователь.
  2. Аналого-цифровой преобразователь с двойным наклоном.
  3. Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения.

Флэш-АЦП

Flash ADC — один из простейших АЦП. Он также известен как параллельный преобразователь АЦП и состоит из ряда компараторов. На выходе компараторов подключена схема энкодера, которая дает нам двоичный выход. Схема 3-битного flash-АЦП показана на рисунке:

.

флэш-АЦП

Vref это опорное напряжение; если аналоговое значение на входе становится больше, чем опорное напряжение, то на выходе компаратора будет high.Flash конвертер является наиболее эффективным из всех преобразователей с точки зрения скорости.Но количество компараторов увеличивается с увеличением количества битов. Нам потребуется 7 компараторов для 3-битных и 15 компараторов для 4-битных. Это слабое место флэш-АЦП.

Но импульсный преобразователь может давать нелинейный выходной сигнал, что является дополнительным преимуществом. Схема делителя напряжения состоит из резисторов равного номинала, обеспечивающих пропорциональный отклик. Но для специальных приложений значение резисторов можно изменить, что даст нелинейный отклик.

АЦП с двойным наклоном

Интегратор с двойным наклоном сначала интегрирует, а затем дезинтегрирует сигнал напряжения.Она интегрирует неизвестное напряжение для фиксированного времени и распадется на переменное время с использованием опорного напряжения. На рисунке 5 показан график интегрирования с двойным наклоном.

Двойная интеграция

Основным преимуществом является то, что ошибка, возникающая в компоненте во время интеграции, устраняется на этапе деинтеграции. На рисунке ниже показана блок-схема преобразователя с двойным наклоном:

. Конвертер с двойным наклоном

Например, если мы хотим получить разрешение 10 бит, мы должны интегрировать 2 10 = 1024 цикла, а затем деинтегрировать 1024 цикла.Увеличивая количество тактовых циклов, мы можем получить большее разрешение.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ ПРИБЛИЖЕНИЕ ADC

Этот АЦП не считает в двоичной последовательности, этот регистр начинается со старшего бита и заканчивается младшим значащим битом. Выход компаратора постоянно контролируется и сравнивается с входным аналоговым сигналом. Эта стратегия дает гораздо более быстрые результаты. На рисунке ниже показана работа этого регистра последовательного приближения:

Успешное приближение ADC

Работу этого АЦП можно наблюдать на следующем графике:

разница между АЦП и аналогом

До сих пор мы обсуждали три наиболее распространенных типа аналогово-цифровых преобразователей, но есть и другие преобразователи, такие как сигма-дельта, цифровой линейный АЦП, отслеживающий АЦП и т. Д., Которые также широко используются.Вы можете прочитать эту статью, чтобы получить подробное руководство по АЦП последовательного приближения:

Приложения АЦП

Заметим мы это или нет, но в повседневной жизни мы используем от сотен до тысяч АЦП и ЦАП. Вот некоторые из популярных приложений:

  • Аудиоприложения. Например, при прослушивании музыки на мобильном телефоне музыка сохраняется в памяти мобильного телефона в цифровой форме, а динамик принимает электрический сигнал, который является аналоговым сигналом. Следовательно, нам нужен АЦП для преобразования цифрового битового потока музыки в аналоговый сигнал для воспроизведения музыки, которую мы можем слышать через мобильный динамик.Следовательно, наш мобильный телефон содержит множество АЦП для аудио и многих других приложений.
  • Приемник и передатчик вызовов на мобильном телефоне
  • Потоковое видео
  • Сбор данных

Статьи по теме:

Фото:

  1. метод последовательного приближения по всем схемам
  2. разница между АЦП и аналоговыми по всем схемам

Аналого-цифровой преобразователь | Electrical4U

Из самого названия ясно, что это преобразователь, который преобразует аналоговый (бесступенчатый) сигнал в цифровой.Это действительно электронная интегральная схема, которая напрямую преобразует непрерывную форму сигнала в дискретную. Он может быть выражен как аналого-цифровой, аналого-цифровой, аналого-цифровой или аналого-цифровой. Вход (аналоговый) в эту систему может иметь любое значение в диапазоне и напрямую измеряется. Но для выхода (цифрового) N-битного аналого-цифрового преобразователя он должен иметь только 2 N дискретных значений. Этот аналого-цифровой преобразователь представляет собой связь между аналоговым (линейным) миром преобразователей и дискретным миром обработки сигнала и обработки данных.Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) выполняет функцию, обратную АЦП. Схематическое изображение АЦП показано ниже.

Процесс АЦП

Процесс преобразования состоит в основном из двух этапов. Это

  • Выборка и хранение
  • Квантование и кодирование

Весь процесс преобразования АЦП показан на рисунке 2.

Выборка и хранение

В процессе выборки и удержания (S / H) непрерывное сигнал будет дискретизирован и заморозить (удерживать) значение на постоянном уровне в течение определенного наименьшего периода времени.Это делается для устранения вариаций входного сигнала, которые могут изменить процесс преобразования и тем самым повысить точность. Минимальная частота дискретизации должна быть в два раза больше максимальной частоты данных входного сигнала.

Квантование и кодирование

Чтобы понять квантование, мы можем сначала пройти через термин «разрешение», используемый в АЦП. Это наименьшее изменение аналогового сигнала, которое приведет к изменению цифрового выхода. Фактически это представляет ошибку квантования.

V → Ссылочного диапазон напряжения
2 Н → Количество состояний
N → Количество бит в цифровом выходе

квантующема: это процесс, в котором опорный сигнал разбивается на несколько дискретных кванты, а затем входной сигнал совпадает с правильным квантом.

Кодировка: Здесь; для каждого кванта будет назначен уникальный цифровой код, и после этого входному сигналу будет назначен этот цифровой код. Процесс квантования и кодирования показан в таблице ниже.

Из приведенной выше таблицы видно, что только одно цифровое значение используется для представления всего диапазона напряжения в интервале. Таким образом, произойдет ошибка, и это называется ошибкой квантования. Это шум, вносимый процессом квантования. Здесь максимальная ошибка квантования составляет

Повышение точности АЦП

Для повышения точности АЦП используются два важных метода. Они увеличиваются за счет увеличения разрешения и увеличения частоты дискретизации.Это показано на рисунке ниже (рисунок 3).

Типы аналого-цифровых преобразователей

  • АЦП последовательного приближения: Этот преобразователь сравнивает входной сигнал с выходом внутреннего ЦАП на каждом последующем шаге. Это самый дорогой вид.
  • Двухканальный АЦП: Он имеет высокую точность, но работает очень медленно.
  • Конвейерный АЦП: то же самое, что и у двухступенчатого АЦП с флэш-памятью.
  • Дельта-сигма АЦП: имеет высокое разрешение, но медленный из-за передискретизации.
  • Flash ADC: это самый быстрый АЦП, но очень дорогой.
  • Другое: пандус лестницы, напряжение-частота, переключаемый конденсатор, отслеживание, балансировка заряда и резольвер.

Применение ADC

  • Используется вместе с преобразователем.
  • Используется в компьютере для преобразования аналогового сигнала в цифровой.
  • Используется в сотовых телефонах.
  • Используется в микроконтроллерах.
  • Используется при цифровой обработке сигналов.
  • Используется в цифровых запоминающих осциллографах.
  • Используется в научных приборах.
  • Используется в технологии воспроизведения музыки и т. Д.

Что такое ЦАП? Основы, типы и работа цифро-аналогового преобразователя

Говоря о сигналах, их можно в целом разделить на аналоговые и цифровые сигналы. Вся цифровая электроника, такая как логические элементы, триггеры, микроконтроллер, микропроцессор и т. Д., Работает с цифровыми сигналами, в то время как аналоговая электроника, такая как операционный усилитель, переключатели питания и т. Д. В типичной конструкции электроники эти два сигнала часто приходится преобразовывать из одной формы. другому.Мы уже узнали, как аналого-цифровые преобразователи (АЦП) используются для преобразования аналоговых сигналов в цифровые значения. В этой статье мы узнаем, как цифровые сигналы можно преобразовать в аналоговые напряжения с помощью ЦАП.

Что такое цифро-аналоговый преобразователь?

Цифро-аналоговый преобразователь, обычно называемый ЦАП, ЦАП или D2A, — это устройство, которое преобразует двоичные значения (нули и единицы) в набор непрерывных аналоговых напряжений. Есть много методов, с помощью которых это делается, каждый со своими преимуществами и недостатками.В этой статье мы узнаем, как работает ЦАП и как его можно использовать в наших проектах.

Где нам ЦАПы?

Компьютер — это двоичная машина, работающая в аналоговом мире, поэтому для получения вывода, понятного для других устройств, используется ЦАП.

Например, компьютер хранит звук в виде двоичных значений звуковой волны. Чтобы воспроизвести их как звук на динамике, нам нужны аналоговые сигналы, потому что, как мы знаем, диафрагма динамика вибрирует в зависимости от интенсивности аналогового сигнала для воспроизведения звука / музыки.Итак, здесь мы будем использовать ЦАП для преобразования цифрового аудиофайла в аналоговый сигнал, чтобы воспроизвести его на динамике.

ЦАП рабочий

Двоичная система — это позиционная система, то есть система значений разряда, в которой каждый бит представляет наличие или отсутствие определенной степени двойки в общей сумме степеней.

Другими словами, весь процесс цифроаналогового преобразования можно рассматривать как операцию масштабирования — двоичный счет отображается в определенном диапазоне напряжений, где 0 В является минимальным, а максимальное напряжение является максимальным входным двоичным напряжением.

Типы ЦАП

1. Суммирующий усилитель

Поскольку цифроаналоговое преобразование представляет собой просто взвешенную сумму двоичного входа, используется схема, называемая суммирующим усилителем.

По сути, это усилитель на операционном усилителе с несколькими резисторами, подключенными к одному входу. Место соединения резисторов называется суммирующим переходом или виртуальной землей. Двоичный вход идет на резисторы, а аналоговый выход получается на выходе операционного усилителя.

Что заставляет эту схему работать, так это резисторы — каждый резистор должен быть тщательно выбран и согласован, чтобы получить точный аналоговый выход. Чем больше у вас битов, тем больше резисторов разного номинала вам нужно — а это не всегда практично. Ограничения можно преодолеть, используя следующий метод.

2. Лестница R-2R

Это простейший тип ЦАП, для которого требуется только два номинала резистора, расположенных в виде лестницы. Вы можете думать об этом как о довольно сложном делителе напряжения, хотя математика довольно сложна.

Двоичный вход подключается к резисторам 2R, а выход находится в нижней части лестничной диаграммы.

3. ЦАП с ШИМ

Это тип ЦАП, который большинство из нас использовали, даже не подозревая об этом!

Популярный микроконтроллер Arduino может выводить аналоговые сигналы с использованием сигнала ШИМ. Вначале сигнал ШИМ выглядит как двоичный сигнал только с высокими и низкими пиками с переменной скважностью (отношение времени включения к периоду времени).

Однако это предназначено для использования с RC-фильтром для преобразования ШИМ-сигнала в значение напряжения путем фильтрации переменного тока и оставления постоянного компонента. Выходное напряжение пропорционально скважности входа — чем выше скважность, тем больше выходное напряжение фильтра.

Применение ЦАП

1. Цифровая обработка сигналов

Работать с сигналами становится намного проще, если они были преобразованы в двоичную форму.

Хорошим примером этого является редактирование аудио. Аудио преобразуется в двоичный, после чего с ним можно выполнять операции. Для воспроизведения этого звука используется ЦАП, который преобразует его в звуковой сигнал, который можно воспроизводить на динамике.

2. Цифровые блоки питания

Большинство микроконтроллеров слишком медленные, чтобы быть частью контура управления источником питания. Чтобы изменить напряжение или ток источника питания, можно изменить задание. Это может быть сделано путем подключения ЦАП к выходу микроконтроллера и использованию, что для изменения опорного напряжения до заданного значения.

Недостатки DACS

1. Точность

ЦАП

могут производить столько шагов напряжения, сколько позволяет двоичное число, другими словами, практически невозможно производить действительно непрерывные значения напряжения.

2. Сложность

Для большинства схем ЦАП, упомянутых выше, требуется несколько частей, и это не всегда может быть практичным. Однако доступны дискретные микросхемы ЦАП, которые могут связываться с микроконтроллером через SPI и I2C.

Как использовать ЦАП?

ЦАП

доступны как отдельные ИС или даже встроены в микроконтроллер.Но чаще всего используются те, которые доступны как отдельная микросхема. Чаще всего используются DAC7715, DAC0832, DAC0808 и т. Д. Для этой статьи рассмотрим микросхему ЦАП MCP4725.

MCP 4725 — это аккуратный маленький модуль ЦАП, который обычно используется вместе с Arduino, и это означает хорошие новости — документация и библиотеки легко доступны.

Вот некоторые особенности микросхемы:

1,12 БИТ РАЗРЕШЕНИЕ

Это намного лучше, чем 8-битный, предлагаемый Arduino.12) = напряжение 1,22 мВ, что обеспечивает потрясающее разрешение. Это можно улучшить, снизив напряжение питания до 3,3 В, и в этом случае разрешение составляет 0,8 мВ или 800 мкВ.

2. СВЯЗЬ I2C

Этот интерфейс связи требует только два контакта, последовательные данные и последовательные часы, сохраняя контакты на микроконтроллере, тянущем за ниточки. Скорость может варьироваться от 100 кГц до 3,4 МГц.

3. АДРЕСНЫЙ ПИН

Подключив контакт к Vcc или GND, можно изменить адрес I2C.Это особенно полезно при использовании нескольких устройств.

4. ПАКЕТОВ:

MCP 4725 доступен в корпусе SOT23-6, что означает, что он не меньше крошечного SMD-транзистора, что позволяет сэкономить много места.

В целом, MCP 4725 является мощным чипом, учитывая размер и характеристики.

Заключение

ЦАП

образуют важное звено между аналоговым и цифровым миром и позволяют компьютерам общаться с оборудованием, которое обычно использует аналоговые сигналы, путем преобразования двоичного счета в пропорциональный дискретный уровень напряжения.

.