Dijitalden Analoga (DAC), Analogdan Dijitale (ADC) Dönüştürücüler Açıklandı

KİME dijitalden analoğa dönüştürücü ( Daçya , D / A , D2A veya D'den A'ya ) bir dijital giriş sinyalini analog çıkış sinyaline dönüştürmek için tasarlanmış bir devredir. Analogdan dijitale dönüştürücü (ADC) ters yönde çalışır ve bir analog giriş sinyalini dijital bir çıkışa dönüştürür.

Bu makalede, diyagramları ve formülleri kullanarak dijitalden analoğa ve analogdan dijitale dönüştürücü devrelerin nasıl çalıştığını kapsamlı bir şekilde tartışıyoruz.

Elektronikte, farklı aralıklar ve büyüklüklerle sürekli değişen voltajlar ve akımlar bulabiliriz.

Dijital devrelerde voltaj sinyali, mantıksal yüksek veya mantıksal düşük mantık seviyeleri olarak iki formdadır ve 1 veya 0 ikili değerlerini temsil eder.

Bir analogdan dijitale dönüştürücülerde (ADC), giriş analog sinyali dijital büyüklük olarak temsil edilirken, bir dijital-analog dönüştürücü (DAC) dijital büyüklüğü tekrar bir analog sinyale dönüştürür.

Dijitalden Analog Dönüştürücüler Nasıl Çalışır?

Dijitalden analoğa dönüştürme işlemi birçok farklı teknikle gerçekleştirilebilir.

İyi bilinen bir yöntem, merdiven ağı olarak bilinen bir direnç ağını kullanır.

Bir merdiven ağı, tipik olarak 0 V veya Vref'de ikili değerleri içeren girişleri kabul etmek için tasarlanmıştır ve ikili girişin büyüklüğüne eşdeğer bir çıkış voltajı sağlar.

Aşağıdaki şekil, 4 bit dijital veri ve bir dc voltaj çıkışını temsil eden 4 giriş voltajı kullanan bir merdiven ağını göstermektedir.

Çıkış voltajı, denklemde ifade edildiği gibi dijital giriş değeriyle orantılıdır:

Yukarıdaki örneği çözerek aşağıdaki çıkış voltajını elde ederiz:

Gördüğümüz gibi, 0110 dijital giriş_iki6 V'luk bir analog çıkışa dönüştürülür.

Merdiven ağının amacı, 16 potansiyel ikili büyüklüğü değiştirmektir.
0000 ile 1111 arasında V aralıklarla 16 gerilim büyüklüğünden birine_ref/ 16.

Bu nedenle, daha fazla sayıda merdiven birimi dahil ederek daha fazla ikili girdiyi işlemek ve her adım için daha yüksek nicelemeyi gerçekleştirmek mümkün olabilir.

Yani, eğer 10 basamaklı bir merdiven ağı kullanırsak, voltaj adım miktarını veya çözünürlüğü V'ye yükseltmek için kullanıma izin vereceğini varsayalım._ref/iki¹⁰veya V_ref/ 1024. Bu durumda, bir referans voltajı V kullanırsak_ref= 10 V, 10 V / 1024 adımlarla veya yaklaşık 10 mV'de çıkış voltajı üretir.

Bu nedenle, daha fazla sayıda merdiven aşaması eklemek bize orantılı olarak daha yüksek çözünürlük sağlayacaktır.

Tipik olarak n merdiven adımlarının sayısı, bu aşağıdaki formülle gösterilebilir:

V_ref/ ikiⁿ

DAC Blok Şeması

Aşağıdaki şekil, bir merdiven ağı kullanan standart bir DAC'nin, R-2R merdiveni olarak adlandırılan blok şemasını göstermektedir. Bu, referans akım kaynağı ile akım anahtarları arasında kilitlenmiş olarak görülebilir.

Akım anahtarları ikili anahtarlarla bağlantılıdır ve giriş ikili değeriyle orantılı bir çıkış akımı üretir.

İkili girişler, merdivenin ilgili ayakları arasında geçiş yapar ve mevcut referansın ağırlıklı toplamı olan bir çıkış akımını etkinleştirir.

Gerekirse, sonucun analog çıkış olarak yorumlanması için çıkışlara dirençler takılabilir.

Analogdan Dijitale Dönüştürücüler Nasıl Çalışır?

Şimdiye kadar dijitalden analoğa sinyallerin nasıl dönüştürüleceğini tartıştık, şimdi bunun tersini nasıl yapacağımızı, yani analog sinyali dijital sinyale dönüştürmeyi öğrenelim. Bu, adı verilen iyi bilinen bir yöntemle uygulanabilir. çift ​​eğimli yöntem .

Aşağıdaki şekil, standart çift eğimli ADC dönüştürücü için blok şemasını göstermektedir.

Burada, istenen analog giriş sinyalini rampa üreteci olarak da adlandırılan bir entegratöre aktarmak için bir elektronik anahtar kullanılır. Bu rampa üreteci, doğrusal rampayı oluşturmak için sabit bir akımla yüklü bir kapasitör şeklinde olabilir. Bu, entegratörün hem pozitif hem de negatif eğim aralıkları için çalışan bir sayaç aşaması aracılığıyla gerekli dijital dönüşümü üretir.

Yöntem, aşağıdaki açıklama ile anlaşılabilir:

Sayacın tam ölçüm aralığı, sabit zaman aralığına karar verir. Bu aralık için, entegratöre uygulanan giriş analog voltajı, karşılaştırıcı giriş voltajının bir miktar pozitif seviyeye yükselmesine neden olur.

Yukarıdaki diyagramın (b) bölümüne bakıldığında, sabit zaman aralığının sonunda entegratörden gelen voltajın, büyüklük olarak daha büyük olan giriş voltajından daha yüksek olduğunu gösterir.

Sabit zaman aralığı sona erdiğinde, sayım 0'a ayarlanır ve bu, elektronik anahtardan entegratörü sabit bir referans giriş voltaj seviyesine bağlamasını ister. Bundan sonra, kondansatörün de girişi olan entegratörün çıkışı sabit bir oranda düşmeye başlar.

Bu süre boyunca, sayaç ilerlemeye devam ederken, entegratörün çıkışı, karşılaştırıcının referans voltajının altına düşene kadar sabit bir oranda düşmeye devam eder. Bu, karşılaştırıcı çıktısının durumunu değiştirmesine neden olur ve sayımı durdurmak için kontrol mantığı aşamasını tetikler.

Sayaç içinde depolanan dijital büyüklük, dönüştürücünün dijital çıkışı olur.

Hem pozitif hem de negatif eğim aralıklarında ortak bir saat ve entegratör aşamasının kullanılması, saat frekansının kaymasını ve entegratörün doğruluk sınırını kontrol etmek için bir tür telafi ekler.

Referans giriş değerini ve saat oranını uygun şekilde ayarlayarak sayaç çıkışını kullanıcı tercihine göre ölçeklendirmek mümkün olabilir. Sayacı ikili, BCD veya gerekirse diğer dijital formatta alabiliriz.

Ladder Ağı Kullanma

Sayaç ve karşılaştırıcı aşamaları kullanan merdiven ağ yöntemi, analogdan dijitale dönüştürme gerçekleştirmenin başka bir ideal yoludur. Bu yöntemde, bir sayaç sıfırdan saymaya başlar, bu da bir merdiven ağını çalıştırır ve bir merdiveni andıran kademeli artan bir voltaj üretir (aşağıdaki şekle bakın).

İşlem, voltajın her sayım adımında artmasına izin verir.

Bir karşılaştırıcı, bu artan merdiven voltajını izler ve bunu analog giriş voltajı ile karşılaştırır. Karşılaştırıcı, analog girişin üzerine çıkan merdiven voltajını algılar algılamaz, çıkışı saymayı durdurmayı ister.

Bu noktada sayaç değeri, analog sinyalin dijital eşdeğeri haline gelir.

Merdiven sinyalinin basamakları tarafından üretilen voltajdaki değişim seviyesi, kullanılan sayım bitlerinin miktarı ile belirlenir.

Örneğin, 10 V referans kullanan 12 aşamalı bir sayaç, aşağıdaki adım gerilimleriyle 10 aşamalı bir merdiven ağı çalıştıracaktır:

V_ref/iki¹²= 10 V / 4096 = 2,4 mV

Bu, 2,4 mV'lik bir dönüşüm çözünürlüğü yaratacaktır. Dönüşümün gerçekleştirilmesi için gereken süre, sayacın saat hızı tarafından belirlenir.

12 aşamalı bir sayacı çalıştırmak için 1 MHz saat hızı kullanılıyorsa, dönüştürme için geçen maksimum süre şöyle olacaktır:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

Saniyede mümkün olabilecek en az dönüşüm sayısı şu şekilde bulunabilir:

Hayır. Dönüşüm sayısı = 1 / 4,1 ms ≈ 244 dönüşüm / saniye

Dönüşüm Sürecini Etkileyen Faktörler

Bazı dönüşümlerin daha yüksek ve bazılarının daha düşük sayım süresi gerektirebileceği göz önüne alındığında, tipik olarak bir dönüşüm süresi = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms iyi bir değer olabilir.

Bu, ortalama olarak 2 x 244 = 488 dönüşüm sayısı üretecektir.

Daha yavaş saat hızı, saniye başına daha az dönüşüm anlamına gelir.

Daha az sayıda sayım aşamasıyla (düşük çözünürlük) çalışan bir dönüştürücü, daha yüksek bir dönüştürme oranına sahip olacaktır.

Konvertörün hassasiyeti, komparatörün doğruluğu ile belirlenir.