К цифро-аналоговый преобразователь ( Дакийцы , D / A , D2A , или же D-to-A ) представляет собой схему, предназначенную для преобразования цифрового входного сигнала в аналоговый выходной сигнал. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) работает противоположным образом и преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой выходной.
В этой статье мы подробно обсудим, как работают схемы цифроаналогового и аналого-цифрового преобразователя, используя схемы и формулы.
В электронике мы можем обнаружить, что напряжения и токи непрерывно меняются в разных диапазонах и величинах.
В цифровых схемах сигнал напряжения имеет две формы: высокий или низкий логический уровень, которые представляют двоичные значения 1 или 0.
В аналого-цифровом преобразователе (АЦП) входной аналоговый сигнал представлен в виде цифровой величины, в то время как цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровую величину обратно в аналоговый сигнал.
Как работают цифро-аналоговые преобразователи
Цифро-аналоговое преобразование может выполняться множеством различных методов.
Один хорошо известный метод использует сеть резисторов, известную как лестничная сеть.
Релейная схема предназначена для приема входных сигналов, содержащих двоичные значения, обычно при 0 В или Vref, и обеспечивает выходное напряжение, эквивалентное величине двоичного входа.
На рисунке ниже показана лестничная схема, использующая 4 входных напряжения, которые представляют 4 бита цифровых данных и выходное напряжение постоянного тока.
Выходное напряжение пропорционально значению цифрового входа, как выражается уравнением:
Решая приведенный выше пример, мы получаем следующее выходное напряжение:
Как видим, цифровой вход 0110двапреобразуется в аналоговый выход 6 В.
Целью лестничной схемы является изменение 16 потенциальных двоичных величин
от 0000 до 1111 в одну из 16 величин напряжения с интервалами Vссылка/ 16.
Следовательно, можно обрабатывать больше двоичных входов, включая большее количество блоков релейной логики, и выполнять более высокое квантование для каждого шага.
Это означает, что предположим, что если мы используем 10-ступенчатую лестничную сеть, это позволит увеличить количество ступеней напряжения или разрешение до Vссылка/два10или Vссылка/ 1024. В этом случае, если мы использовали опорное напряжение Vссылка= 10 В будет генерировать выходное напряжение с шагом 10 В / 1024 или около 10 мВ.
Таким образом, добавление большего количества лестничных ступеней даст нам пропорционально более высокое разрешение.
Обычно для п количество ступеней лестницы, это можно представить следующей формулой:
Vссылка/ двап
Блок-схема ЦАП
На рисунке ниже показана блок-схема стандартного ЦАП, использующего многозвенную схему, обозначенную как лестничная диаграмма R-2R. Это можно увидеть заперт между источником тока и опорного тока переключателей.
Токовые переключатели связаны с двоичными переключателями, создавая выходной ток, пропорциональный входному двоичному значению.
Двоичные входы переключают соответствующие ножки лестничной диаграммы, обеспечивая выходной ток, который является взвешенной суммой текущего задания.
При необходимости к выходам можно присоединить резисторы для интерпретации результата как аналогового выхода.
Как работают аналого-цифровые преобразователи
До сих пор мы обсуждали, как преобразовать цифровой сигнал в аналоговый, теперь давайте узнаем, как сделать наоборот, то есть преобразовать аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Это можно реализовать с помощью хорошо известного метода, называемого двухскатный метод .
На следующем рисунке показана блок-схема стандартного преобразователя АЦП с двумя характеристиками.
Здесь электронный переключатель используется для передачи желаемого аналогового входного сигнала на интегратор, также называемый генератором линейного изменения. Этот генератор пилообразного сигнала может быть выполнен в виде конденсатора, заряженного постоянным током, для создания линейного пилообразного изменения. Это обеспечивает необходимое цифровое преобразование через каскад счетчика, который работает как для положительных, так и для отрицательных интервалов наклона интегратора.
Этот метод можно понять из следующего описания:
Полный диапазон измерения счетчика определяет фиксированный временной интервал. В течение этого интервала входное аналоговое напряжение, подаваемое на интегратор, вызывает повышение входного напряжения компаратора до некоторого положительного уровня.
Обращение к разделу (b) приведенной выше диаграммы показывает, что напряжение интегратора в конце фиксированного интервала времени выше, чем входное напряжение, которое больше по величине.
Когда интервал заканчивается фиксированное время, отсчет имеет значение 0, который побуждает электронный переключатель для подключения интегратора к уровню фиксированного опорного входного напряжения. После этого выход интегратора, который также является входом конденсатора, начинает падать с постоянной скоростью.
В течение этого периода, счетчик продолжает вперед, в то время как выход интегратора продолжает падать на постоянной скорости, пока она не опускается ниже опорного напряжения компаратора. Это приводит к изменению состояния выхода компаратора и запускает логический каскад управления, чтобы остановить подсчет.
Сохраненная цифровая величина внутри счетчика становится цифровым выходом преобразователя.
Использование каскада общих тактовых импульсов и интегратора в течение как положительных, так и отрицательных интервалов наклона добавляет некую компенсацию для управления дрейфом тактовой частоты и предел точности интегратора.
Это может быть возможным, чтобы масштабировать выходной сигнал счетчика как на предпочтения пользователя путем соответствующего настройки входного значения опорного и тактовой частоты. У нас может быть счетчик в двоичном, двоично-десятичном или другом цифровом формате, если это необходимо.
Использование лестничной диаграммы
Метод лестничной схемы с использованием каскадов счетчика и компаратора - еще один идеальный способ реализации аналого-цифрового преобразования. В этом методе счетчик начинает отсчет с нуля, что приводит в действие лестничную сеть, генерируя ступенчато нарастающее напряжение, напоминающее лестницу (см. Рисунок ниже).
Процесс позволяет повышать напряжение с каждым шагом счета.
Компаратор отслеживает это возрастающее ступенчатое напряжение и сравнивает его с аналоговым входным напряжением. Как только компаратор обнаруживает, что напряжение на лестничной клетке превышает аналоговый вход, его выход предлагает остановить подсчет.
Значение счетчика в этот момент становится цифровым эквивалентом аналогового сигнала.
Уровень изменения напряжения, создаваемого ступенями лестничного сигнала, определяется количеством используемых счетных битов.
Так, например счетчик 12 ступени с использованием 10 V ссылка будет работать в 10 ступени лестницы сеть с шагом напряжения:
Vссылка/два12= 10 V / 4096 = 2.4 mV
Это создаст разрешение преобразования 2,4 мВ. Время, необходимое для выполнения преобразования, определяется тактовой частотой счетчика.
Если для работы 12-ступенчатого счетчика используется тактовая частота 1 МГц, максимальное время, необходимое для преобразования, будет:
4096 x 1 мкс = 4096 мкс ≈ 4,1 мс
Наименьшее возможное количество преобразований в секунду можно найти как:
нет. преобразований = 1 / 4,1 мс ≈ 244 преобразований в секунду
Факторы, влияющие на процесс преобразования
Учитывая, что для некоторых преобразований может потребоваться большее время, а для некоторых может потребоваться меньшее время счета, обычно время преобразования = 4,1 мс / 2 = 2,05 мс может быть хорошим значением.
Это даст в среднем 2 x 244 = 488 конверсий.
Более низкая тактовая частота означает меньше конверсий в секунду.
Конвертер, работающий с меньшим числом этапов счета (низкое разрешение), будет иметь более высокую скорость преобразования.
Точность преобразователя определяется точностью отсчета.
Предыдущая статья: Как рассчитать трансформаторы с ферритовым сердечником Следующая статья: Цепь ультразвукового индикатора уровня топлива
