Was sind DAC und ADC? Analog-Digital-Wandler, Zweck, Aufbau, Funktionsprinzip ADC-Bezeichnung

Digital-Analog-Wandler (DACs) und Analog-Digital-Wandler (ADCs) werden hauptsächlich verwendet, um digitale Geräte und Systeme mit externen analogen Signalen an die reale Welt anzuschließen. Dabei wandelt der ADC analoge Signale in digitale Eingangssignale um, die digitalen Geräten zur weiteren Verarbeitung oder Speicherung zugeführt werden, und der DAC wandelt die digitalen Ausgangssignale digitaler Geräte in analoge Signale um.

Als DACs und ADCs werden üblicherweise spezielle Mikroschaltungen verwendet, die von vielen in- und ausländischen Unternehmen hergestellt werden.

DAC-Chip kann als Block (Abb. 13) mit mehreren digitalen Eingängen und einem analogen Eingang sowie einem analogen Ausgang dargestellt werden.

Reis. 13. DAC-Chip

Der n-Bit-Code N wird den digitalen Eingängen des DAC zugeführt, und die Referenzspannung U op wird dem analogen Eingang zugeführt (eine andere übliche Bezeichnung ist U REF). Das Ausgangssignal ist die Spannung U out (andere Bezeichnung ist U O) oder der Strom I out (andere Bezeichnung ist I O). In diesem Fall ist der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung proportional zum Eingangscode und der Referenzspannung. Bei einigen Mikroschaltungen muss die Referenzspannung einen genau festgelegten Wert haben, bei anderen ist es möglich, ihren Wert in weiten Grenzen zu ändern, einschließlich der Änderung ihrer Polarität (positiv zu negativ und umgekehrt). Ein DAC mit einem großen Referenzspannungsbereich wird als multiplizierender DAC bezeichnet, da er problemlos zum Multiplizieren des Eingangscodes mit einer beliebigen Referenzspannung verwendet werden kann.

Das Wesen der Umwandlung eines digitalen Eingangscodes in ein analoges Ausgangssignal ist recht einfach. Es besteht darin, mehrere Ströme zu summieren (entsprechend der Anzahl der Bits des Eingabecodes), wobei jeder nachfolgende Strom doppelt so groß ist wie der vorherige. Um diese Ströme zu erhalten, werden entweder Transistorstromquellen oder durch Transistorschalter geschaltete Widerstandsmatrizen verwendet.

Als Beispiel zeigt Abb. 14 eine 4-Bit-Digital-Analog-Umwandlung (n = 4) basierend auf einer R-2R-Widerstandsmatrix und Schaltern (in Wirklichkeit werden Schalter auf Transistorbasis verwendet). Die rechte Position der Taste entspricht einem in diesem Bit des Eingabecodes N (Bits D0...D3). Der Operationsverstärker kann entweder integriert (im Fall eines Spannungsausgangs-DAC) oder extern (im Fall eines Stromausgangs-DAC) sein.

Reis. 14. 4-Bit-Digital-Analog-Konvertierung

Der erste Schalter (links in der Abbildung) schaltet einen Strom mit dem Wert U REF /2R, der zweite Schalter - den Strom U REF /4R, der dritte - den Strom U REF /8R, der vierte - den Strom U REF /16R. Das heißt, die von benachbarten Tasten geschalteten Ströme unterscheiden sich um die Hälfte, ebenso wie die Gewichte der Bits des Binärcodes. Die von allen Schaltern geschalteten Ströme werden summiert und über einen Operationsverstärker mit dem Widerstand R OS = R im Gegenkopplungskreis in eine Ausgangsspannung umgewandelt.

Wenn sich jeder Schalter in der richtigen Position befindet (einer im entsprechenden Bit des DAC-Eingangscodes), wird der von diesem Schalter geschaltete Strom zur Summierung geliefert. Wenn sich der Schalter in der linken Position befindet (Null im entsprechenden Bit des DAC-Eingangscodes), wird der durch diese Taste geschaltete Strom nicht zur Summierung geliefert.

Der Gesamtstrom I O aller Schalter erzeugt am Ausgang des Operationsverstärkers eine Spannung U O =I O R OS =I OR. Das heißt, der Beitrag des ersten Schlüssels (höchstwertiges Bit des Codes) zur Ausgangsspannung beträgt U REF /2, der zweite - U REF /4, der dritte - U REF /8, der vierte - U REF /16 . Bei Eingabecode N = 0000 beträgt die Ausgangsspannung der Schaltung also Null, bei Eingabecode N = 1111 beträgt sie –15U REF /16.

Im Allgemeinen wird die Ausgangsspannung des DAC bei R OS = R durch eine einfache Formel mit dem Eingangscode N und der Referenzspannung U REF in Beziehung gesetzt

U OUT = –N U REF 2 -n

Dabei ist n die Anzahl der Bits des Eingabecodes. Einige DAC-Chips bieten die Möglichkeit, im bipolaren Modus zu arbeiten, bei dem sich die Ausgangsspannung nicht von Null auf U REF, sondern von –U REF auf +U REF ändert. In diesem Fall wird das Ausgangssignal des DAC U OUT mit 2 multipliziert und um den Wert U REF verschoben. Der Zusammenhang zwischen dem Eingangscode N und der Ausgangsspannung U OUT ist wie folgt:

U OUT =U REF (1–N 2 1–n)

ADC-Chips erfüllen eine Funktion, die der eines DAC direkt entgegengesetzt ist: Sie wandeln das analoge Eingangssignal in eine Folge digitaler Codes um. Im Allgemeinen kann ein ADC-Chip als Block dargestellt werden, der über einen analogen Eingang, einen oder zwei Eingänge zur Bereitstellung einer Referenzspannung (Referenzspannung) sowie digitale Ausgänge zur Ausgabe eines Codes verfügt, der dem aktuellen Wert des analogen Signals entspricht ( Abb. 15).

Oftmals verfügt der ADC-Chip auch über einen Eingang zum Zuführen eines Taktsignals CLK, eines Freigabesignals CS und eines Signals, das die Bereitschaft des ausgegebenen digitalen Codes RDY anzeigt. Die Mikroschaltung wird mit einer oder zwei Versorgungsspannungen und einem gemeinsamen Draht versorgt.

Reis. 15. ADC-Chip

Derzeit wurden viele verschiedene Methoden der Analog-Digital-Umwandlung entwickelt, beispielsweise Methoden des sequentiellen Zählens, des bitweisen Ausgleichs und der doppelten Integration; mit Spannungs-Frequenz-Umwandlung, Parallelumwandlung. Auf der Grundlage der aufgeführten Methoden aufgebaute Wandlerschaltungen können einen DAC enthalten oder auch nicht.

Planen Seriell zählender ADC ist in Abb. 16 dargestellt, a. Wie aus der Grafik ersichtlich ist, ist die Wandlungszeit dieses Typs variabel und hängt vom analogen Eingangssignal ab, der Betriebszyklus des gesamten Geräts ist jedoch konstant und gleich,, wo T0- Periodendauer des Referenzimpulsgenerators, N-Bit-Kapazität des Zählers und des ADC selbst. Der Betrieb eines solchen ADC erfordert keine Synchronisierung, was den Aufbau einer Steuerschaltung erheblich vereinfacht. Ab dem Moment, in dem das „Start“-Signal mit einer Frequenz von 1/ am ADC-Ausgang ankommt Tp digitale Codes der Konvertierungsergebnisänderung (Frequenz 1/ Tp- Parameter, der die maximal zulässige Nachführfrequenz des Eingangssignals bestimmt).

Die wichtigsten Merkmale von ADCs sind ihre Genauigkeit, Geschwindigkeit und Kosten. Die Genauigkeit hängt von der ADC-Bittiefe ab. Tatsache ist, dass das analoge Signal am ADC-Eingang am Ausgang in einen binären digitalen Code umgewandelt wird, d.h. Ein ADC ist ein analoges Signalstärkemessgerät mit einer Genauigkeit auf die Hälfte der niederwertigsten Stelle. Daher bietet beispielsweise ein 8-Bit-ADC eine Konvertierungsgenauigkeit, die nicht höher als der maximal mögliche Wert ist. Ein 10-Bit-ADC bietet eine Konvertierungsgenauigkeit von nicht mehr als , ein 14-Bit-ADC bietet eine Genauigkeit von nicht mehr als , und ein 16-Bit-ADC bietet keine höhere Genauigkeit vom maximal möglichen Wert.

Die Leistung eines ADC wird durch den Zeitraum charakterisiert, der für die Durchführung einer Wandlung benötigt wird, bzw. durch die Anzahl möglicher Wandlungen pro Zeiteinheit (Wandlungsfrequenz).

Typischerweise gilt: Je höher die Genauigkeit (Bitkapazität) eines ADC, desto geringer ist seine Leistung, und je höher die Genauigkeit und Leistung, desto höher sind die Kosten des ADC. Daher ist es beim Entwurf eines intelligenten Sensors notwendig, seine Parameter richtig auszuwählen.

ADCs werden heute nach unterschiedlichen Schaltungsprinzipien aufgebaut und sowohl in Form einzelner integrierter Schaltkreise als auch als Einheiten komplexerer Schaltkreise (z. B. Mikrocontroller).

VORTRAG 3

Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler.

Gemeinsame Abkürzung für DAC und ADC. In der englischen Literatur werden die Begriffe DAC und ADC verwendet.

Digital-Analog-Wandler dienen dazu, Informationen von digitaler Form in ein analoges Signal umzuwandeln. DACs werden häufig in verschiedenen Automatisierungsgeräten zur Verbindung digitaler Computer mit analogen Elementen und Systemen verwendet.

DACs werden hauptsächlich nach zwei Prinzipien gebaut:

Gewichtung – mit der Summation gewichteter Ströme oder Spannungen, wenn jedes Bit des Eingangsworts einen seinem binären Gewicht entsprechenden Beitrag zum Gesamtwert des empfangenen analogen Signals leistet; Solche DACs werden auch Parallel- oder Multibit-DACs genannt.

Sigma-Delta basiert auf dem Funktionsprinzip inverser ADCs (das Funktionsprinzip ist komplex und wird hier nicht besprochen).

Funktionsprinzip des Wäge-DAC besteht darin, analoge Signale zu summieren, die proportional zu den Gewichtungen der Bits des eingegebenen digitalen Codes sind, wobei die Koeffizienten je nach Wert des entsprechenden Codebits gleich Null oder Eins sind.

Der DAC wandelt den digitalen Binärcode Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 in einen analogen Wert um, normalerweise die Spannung U out. . Jedes Bit des Binärcodes hat ein bestimmtes Gewicht des i-ten Bits, das doppelt so groß ist wie das Gewicht des (i-1)-ten. Die Funktionsweise des DAC kann durch die folgende Formel beschrieben werden:

U aus =e*(Q 1 1+Q 2 *2+Q 3 *4+Q 4 *8+…),

wobei e die Spannung ist, die dem Gewicht der niedrigstwertigen Ziffer entspricht, Q i der Wert der i-ten Ziffer des Binärcodes (0 oder 1).

Beispielsweise entspricht die Zahl 1001

Uaus=е*(1*1+0*2+0*4+1*8)=9*e.

Ein vereinfachtes Diagramm der DAC-Implementierung ist in Abb. 1 dargestellt. In der Schaltung ist der i-te Schlüssel geschlossen, wenn Q i =1, und wenn Q i =0 ist, ist er geöffnet. Die Widerstände werden so gewählt, dass R>>Rn gilt.

Funktionsprinzip des ADC besteht darin, den Pegel des Eingangssignals zu messen und das Ergebnis in digitaler Form zu erzeugen. Durch den ADC-Betrieb wird ein kontinuierliches analoges Signal in ein gepulstes umgewandelt, wobei gleichzeitig die Amplitude jedes Impulses gemessen wird. Innere DAC wandelt den digitalen Amplitudenwert in Spannungs- oder Stromimpulse der erforderlichen Größe um, die der dahinter liegende Integrator (Analogfilter) in ein kontinuierliches Analogsignal umwandelt. Damit der ADC ordnungsgemäß funktioniert, darf sich das Eingangssignal während der Wandlungszeit nicht ändern. Zu diesem Zweck wird üblicherweise an seinem Eingang eine Sample-and-Hold-Schaltung angebracht, die den momentanen Signalpegel erfasst und ihn während der Wandlungszeit aufrechterhält. Eine ähnliche Schaltung kann auch am ADC-Ausgang installiert werden, um den Einfluss transienter Prozesse innerhalb des ADC auf die Ausgangssignalparameter zu unterdrücken

Es werden hauptsächlich drei Arten von ADCs verwendet:

parallel - Das Eingangssignal wird gleichzeitig mit Referenzpegeln durch eine Reihe von Vergleichsschaltungen (Komparatoren) verglichen, die am Ausgang einen Binärwert bilden.

sukzessive Approximation – bei dem mithilfe eines Hilfs-DAC ein Referenzsignal erzeugt und mit dem Eingang verglichen wird. Das Referenzsignal wird nach dem Halbierungsprinzip sequentiell geändert. Dadurch kann die Konvertierung unabhängig von der Größe des Eingangssignals in einer Anzahl von Taktzyklen abgeschlossen werden, die der Bitkapazität des Konverters entspricht.

mit Zeitintervallmessung - Es werden verschiedene Prinzipien verwendet, um Pegel in proportionale Zeitintervalle umzuwandeln, deren Dauer mit einem Hochfrequenz-Taktgenerator gemessen wird. Manchmal auch Zähl-ADCs genannt.

Analog-Digital-Wandler dienen dazu, ein analoges Signal (normalerweise Spannung) in digitale Form (eine Folge digitaler Spannungswerte, die in regelmäßigen Abständen gemessen werden) umzuwandeln. Einer der wichtigsten Parameter von Analog-Digital-Wandlern ist die Bittiefe ihrer Ausgangsdaten. Dieser Parameter bestimmt das Signal-Rausch-Verhältnis der Umwandlung und letztendlich den Dynamikbereich des digitalen Signals. Sie versuchen, die ADC-Bittiefe zu erhöhen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Das Signal-Rausch-Verhältnis eines Analog-Digital-Wandlers lässt sich nach folgender Formel ermitteln:

SN=N× 6 + 3,5 (dB)

Wo N— die Anzahl der Binärbits am ADC-Ausgang.

Ein ebenso wichtiger Parameter des ADC ist die Zeit, die benötigt wird, um den nächsten digitalen Signalabtastwert an seinem Ausgang zu empfangen. Sowohl eine hohe Umwandlungsgeschwindigkeit als auch eine große Bittiefe zu erreichen, ist eine sehr schwierige Aufgabe, für die zahlreiche Arten von Analog-Digital-Wandlern entwickelt wurden. Betrachten wir ihre Hauptmerkmale und Anwendungsbereiche.

Der schnellste ADC-Typ ist. Diese Arten von ADCs erfordern die Übertragung großer Datenströme und werden daher parallel übertragen. Dies führt dazu, dass parallele ADCs eine große Anzahl externer Pins haben. Dadurch sind die Abmessungen paralleler ADC-Chips recht groß. Ein weiteres Merkmal paralleler ADCs ist ihr erheblicher Stromverbrauch. Die aufgeführten Nachteile dieses ADC-Typs sind der Preis für die hohe Geschwindigkeit der Umwandlung eines analogen Signals in eine digitale Form seiner Darstellung. Die Konvertierungsgeschwindigkeit in parallelen ADCs erreicht 500 Millionen Samples pro Sekunde (500 MSPS). Nach dem Satz von Kotelnikov kann die maximale Frequenz des Eingangssignals 250 MHz erreichen. Ein Beispiel ist der AD6641-500-Chip von Analog Devices oder der ISLA214P50-Chip von Intersil.

Um noch höhere Wandlungsgeschwindigkeiten zu erreichen, wird eine Parallelschaltung mehrerer parallel arbeitender ADCs verwendet. Gleichzeitig müssen mehrere parallele Busse (einer für jeden ADC) verwendet werden, um die Datenübertragung zum Verarbeitungschip sicherzustellen. Ein Beispiel für diese Art von Analog-Digital-Wandlern ist der Maxim MAX109 ADC-Chip, der Wandlungsgeschwindigkeiten von bis zu 2,2 GSPS bietet.

Eine etwas wirtschaftlichere Art von ADC sind. Bei diesen ADC-Typen sind Digital-Analog-Wandler am Analog-Digital-Umwandlungsprozess beteiligt. Die hohe Geschwindigkeit beim Senden analoger Signalproben an den Ausgang wird durch Pipeline-Verarbeitung realisiert. Dies führt dazu, dass bei seriell-parallelen FWGs die Umwandlungsgeschwindigkeit und die Ausgabegeschwindigkeit des nächsten digitalen Samples nicht übereinstimmen. Als Beispiel können wir die Mikroschaltungen AD6645 und AD9430 von Analog Devices nennen.

Der derzeit am häufigsten verwendete ADC-Typ ist. Trotz der Tatsache, dass bei diesen Arten von Analog-Digital-Wandlern eine Pipeline-Datenverarbeitung nicht möglich ist, was bedeutet, dass die Wandlungszeit und die Periode der Datenausgabe am ADC-Ausgang zusammenfallen, verfügt dieser ADC-Typ über eine ausreichende Geschwindigkeit, um in einem zu arbeiten vielfältiges Aufgabenspektrum.

Derzeit werden die Sample-and-Hold-Signalabtastung (S&H) und die Spannungs-zu-Binär-Umwandlung (digitale Signalabtastungen) auf einem einzigen Chip durchgeführt. Ein typisches Schaltbild für den Anschluss eines ADC mit Parallelausgang ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Anschlussdiagramm des parallelen ADC ADC0804

In dieser Schaltung muss zum Starten der A/D-Wandlung der Mikroprozessor oder die programmierbare Logikschaltung ein Wandlungsstartsignal bereitstellen (in dieser Schaltung ist dies das WR-Signal). Sobald die Konvertierung abgeschlossen ist, gibt der ADC-Chip ein Datenbereitschaftssignal INTR aus und der Mikroprozessor kann den der Eingangsspannung entsprechenden Binärcode lesen. Bei der Umwandlung eines Signals nach dem Kotelnikov-Theorem ist die Abtastfrequenz F d geht in den WR-Eingang und seine Stabilität wird vom Mikroprozessor sichergestellt.

Es ist zu beachten, dass es bei der Verarbeitung niederfrequenter Signale häufig erforderlich ist, sowohl die A/D-Wandlung als auch die D/A-Wandlung gleichzeitig durchzuführen. In manchen Fällen ist es notwendig, mehrere analoge Kanäle in einem Chip zu vereinen, beispielsweise bei der Stereo-Tonverarbeitung. Darüber hinaus enthalten diese Arten von Mikroschaltungen Niederfrequenz- oder Bandpassfilter und Operationsverstärker, die es ihnen ermöglichen, ein Signal direkt vom Mikrofonausgang an ihren Eingang und vom Ausgang an das Telefon zu liefern. Diese Art von ADC/DAC-Chips erhielt einen speziellen Namen – Codecs.

Literatur:

1. Analod-Digital Conversion, Walt Kester Herausgeber, Analog Devices, 2004. - 1138 S.
2. Mixed-Signal- und DSP-Designtechniken ISBN_0750676116, Herausgeber Walt Kester, Analog Devices, 2004. – 424 S.
3. High Speed ​​​​System Application, Walt Kester Herausgeber, Analog Devices, 2006. – 360 S.

Zusammen mit dem Artikel „Typen von Analog-Digital-Wandlern (ADCs)“ lesen Sie:

Analog-Digital-Wandler (ADCs)- Hierbei handelt es sich um Geräte zur Umwandlung analoger Signale in digitale. Für eine solche Umwandlung ist es notwendig, das analoge Signal zu quantisieren, also die Momentanwerte des analogen Signals auf bestimmte Niveaus, sogenannte Quantisierungsniveaus, zu begrenzen.

Die ideale Quantisierungscharakteristik hat die in Abb. 3,92.

Quantisierung ist das Runden eines Analogwerts auf die nächste Quantisierungsstufe, d. h. der maximale Quantisierungsfehler beträgt ±0,5h (h ist der Quantisierungsschritt).

Zu den Hauptmerkmalen des ADC gehören die Anzahl der Bits, die Wandlungszeit, die Nichtlinearität usw. Die Anzahl der Bits ist die Anzahl der Bits des Codes, der dem Analogwert zugeordnet ist, den der ADC erzeugen kann. Oft spricht man von der Auflösung eines ADC, die durch den Kehrwert der maximalen Anzahl von Codekombinationen am ADC-Ausgang bestimmt wird. Somit hat ein 10-Bit-ADC eine Auflösung von (2 10 = 1024) −1, d. h. bei einer ADC-Skala, die 10 V entspricht, überschreitet der Absolutwert des Quantisierungsschritts 10 mV nicht. Die Konvertierungszeit tp ist das Zeitintervall vom Moment einer bestimmten Signaländerung am ADC-Eingang bis zum Erscheinen des entsprechenden stabilen Codes an seinem Ausgang.

Typische Konvertierungsmethoden sind die parallele Konvertierung eines Analogwerts und die serielle Konvertierung.

ADC mit paralleler Umwandlung des analogen Eingangssignals

Beim Parallelverfahren wird die Eingangsspannung gleichzeitig mit n Referenzspannungen verglichen und ermittelt, zwischen welchen beiden Referenzspannungen sie liegt. In diesem Fall wird das Ergebnis schnell erreicht, das Schema erweist sich jedoch als recht komplex.

Funktionsprinzip des ADC (Abb. 3.93)

Wenn Uin = 0, da für alle Operationsverstärker die Spannungsdifferenz (U + − U −)< 0 (U + , U − - напряжения относительно общей точки соответственно неинвертирующего и инвертирующего входа), напряжения на выходе всех ОУ равны −Е пит а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Z 0 , Z 1 , Z 2 устанавливаются нули. Если U вх >0,5U, aber weniger als 3/2U, nur für den unteren Operationsverstärker (U + − U −) > 0 und nur an dessen Ausgang erscheint die Versorgungsspannung +E, was zum Auftreten folgender Signale am führt CP-Ausgänge: Z 0 = 1, Z 2 = Z l = 0. Wenn Uin > 3/2U, aber weniger als 5/2U, dann erscheint am Ausgang der beiden unteren Operationsverstärker eine Spannungsversorgung +E, die führt zum Erscheinen des Codes 010 an den Ausgängen des CP usw.

Sehen Sie sich ein interessantes Video über die Funktionsweise des ADC an:

ADC mit serieller Eingangssignalumwandlung

Dabei handelt es sich um einen seriell zählenden ADC, der als Servo-ADC bezeichnet wird (Abb. 3.94).
Der ADC dieses Typs verwendet einen DAC und einen Umkehrzähler, dessen Signal eine Spannungsänderung am DAC-Ausgang bewirkt. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass die Spannungen am Eingang Uin und am Ausgang des DAC −U annähernd gleich sind. Ist die Eingangsspannung Uin größer als die Spannung U am DAC-Ausgang, schaltet der Zähler in den Direktzählmodus und der Code an seinem Ausgang erhöht sich, was zu einer Erhöhung der Spannung am DAC-Ausgang führt. Im Moment der Gleichheit von Uin und U stoppt die Zählung und der der Eingangsspannung entsprechende Code wird vom Ausgang des Rückwärtszählers entfernt.

Das sequentielle Umwandlungsverfahren ist auch im Zeit-Impuls-Umwandlungs-ADC (ADC mit einem linear variierenden Spannungsgenerator (GLIN)) implementiert.

Das Funktionsprinzip des betrachteten ADC, Abb. 3.95) basiert auf der Zählung der Anzahl der Impulse in der Zeitspanne, in der die linear variierende Spannung (LIN), ausgehend von Null, den Eingangsspannungspegel Uin erreicht. Es werden folgende Bezeichnungen verwendet: CC – Vergleichsschaltung, GI – Impulsgeber, Kl – elektronischer Schlüssel, Sch – Impulszähler.

Der im Zeitdiagramm markierte Zeitpunkt t 1 entspricht dem Beginn der Messung der Eingangsspannung und der Zeitpunkt t 2 entspricht der Gleichheit der Eingangsspannung und der GLIN-Spannung. Der Messfehler wird durch den Zeitquantisierungsschritt bestimmt. Der Schlüssel Kl verbindet einen Impulsgeber mit dem Zähler ab dem Moment, in dem die Messung beginnt, bis zu dem Moment, in dem U in und U clay gleich sind. U Sch gibt die Spannung am Zählereingang an.

Der Code am Zählerausgang ist proportional zur Eingangsspannung. Einer der Nachteile dieses Schemas ist seine geringe Leistung.

Doppelter Integrations-ADC

Ein solcher ADC implementiert die Methode der sequentiellen Umwandlung des Eingangssignals (Abb. 3.96). Folgende Bezeichnungen werden verwendet: SU – Steuerungssystem, GI – Impulsgenerator, SCH – Impulszähler. Das Funktionsprinzip des ADC besteht darin, das Verhältnis zweier Zeitperioden zu bestimmen, während einer davon die Eingangsspannung Uin von einem auf einem Operationsverstärker basierenden Integrator integriert wird (die Spannung U und am Ausgang des Integrators ändert sich von Null auf den maximalen Absolutwert). Wert) und während des nächsten - die Integration der Referenzspannung U op (U und variiert vom maximalen Absolutwert bis Null) (Abb. 3.97).

Wenn die Integrationszeit t 1 des Eingangssignals konstant ist, dann ist die Eingangsspannung umso größer, je größer die zweite Zeitspanne t 2 (die Zeitspanne, in der die Referenzspannung integriert wird) ist. Die Taste KZ dient dazu, den Integrator in seinen anfänglichen Nullzustand zu versetzen. Im ersten der angegebenen Zeiträume ist der Schlüssel K 1 geschlossen, der Schlüssel K 2 geöffnet und im zweiten Zeitabschnitt ist ihr Zustand entgegengesetzt zum angegebenen. Gleichzeitig mit dem Schließen der Taste K 2 beginnen Impulse vom GI-Impulsgenerator durch den Steuerkreis des Steuersystems zum Zähler Sch zu fließen.

Das Eintreffen dieser Impulse endet, wenn die Spannung am Ausgang des Integrators Null ist.

Die Spannung am Integratorausgang nach einer Zeitspanne t 1 wird durch den Ausdruck bestimmt

U und (t 1) = − (1/RC) t1 ∫ 0 U Eingang dt= − (U Eingang t 1) / (R C)

Wenn wir einen ähnlichen Ausdruck für das Zeitintervall t 2 verwenden, erhalten wir

t 2 = − (R·C/U op) ·U und (t 1)

Wenn wir hier den Ausdruck für U und (t 1) einsetzen, erhalten wir t 2 = (U in / U op) · t 1 mit U in = U oa · t 2 /t 1

Der Code am Zählerausgang bestimmt den Wert der Eingangsspannung.

Einer der Hauptvorteile dieses ADC-Typs ist seine hohe Störfestigkeit. Zufällige Eingangsspannungsstöße, die über einen kurzen Zeitraum auftreten, haben praktisch keinen Einfluss auf den Wandlungsfehler. Der Nachteil des ADC ist seine niedrige Geschwindigkeit.

Am häufigsten sind ADCs der Chipserien 572, 1107, 1138 usw. (Tabelle 3.3)
Die Tabelle zeigt, dass der ADC mit paralleler Wandlung die beste Leistung und der ADC mit serieller Wandlung die schlechteste Leistung aufweist.

Wir laden Sie ein, sich ein weiteres anständiges Video über die Funktionsweise und das Design des ADC anzusehen:

Die meisten Sensoren und Aktoren in automatischen Systemen arbeiten mit analogen Signalen. Um solche Signale in einen Computer einzugeben, müssen sie in digitale Form umgewandelt werden, d. h. Diskretisieren Sie nach Ebene und Zeit. ADCs lösen dieses Problem. Das umgekehrte Problem, d.h. Über die Umwandlung eines quantisierten (digitalen) Signals in ein kontinuierliches Signal entscheidet der DAC.

ADCs und DACs sind die wichtigsten Eingabe-/Ausgabegeräte für Informationen in digitalen Systemen, die dazu dienen, analoge Informationen zu verarbeiten oder jeden technologischen Prozess zu steuern.

Die wichtigsten Eigenschaften des ADC und DAC:

1) Art des Analogwerts, der in den ADC eingegeben und an den DAC ausgegeben wird (Spannung, Strom, Zeitintervall, Phase, Frequenz, Winkel- und Linearbewegung, Beleuchtung, Druck, Temperatur usw.). Die am weitesten verbreiteten Wandler sind solche, bei denen der analoge Eingangs- (Ausgangs-) Wert die Spannung ist, weil Die meisten analogen Größen lassen sich relativ einfach in Spannung umwandeln.

2) Auflösung und Konvertierungsgenauigkeit (die Auflösung wird durch die Anzahl der binären Bits des Codes bzw. die mögliche Anzahl der Pegel des analogen Signals bestimmt, die Genauigkeit wird durch die größte Abweichung des analogen Signals vom digitalen Signal bestimmt und umgekehrt).

3) Leistung, bestimmt durch das Zeitintervall vom Senden des Abfragesignals (Startsignals) bis zum Erreichen eines stabilen Werts durch das Ausgangssignal (Einheiten Mikrosekunden, Zehntel Nanosekunden).

Jeder Konverter verfügt über digitale und analoge Teile. Im digitalen Bereich werden digitale Signale kodiert und dekodiert, gespeichert, gezählt, digital verglichen und logische Steuersignale erzeugt. Zu diesem Zweck verwenden sie: Decoder, Multiplexer, Register, Zähler, digitale Komparatoren, logische Elemente.

Im analogen Teil des Wandlers werden folgende Operationen ausgeführt: Verstärkung, Vergleich, Umschaltung, Addition und Subtraktion analoger Signale. Hierzu werden analoge Elemente verwendet: Operationsverstärker, analoge Komparatoren, Schalter und Schalter, Widerstandsmatrizen usw.

Wandler werden in Form von digitalen und analogen ICs oder LSIs hergestellt.

Sie basieren auf der Darstellung einer beliebigen Binärzahl X als Summe von Zweierpotenzen.

Konvertierungsschaltung Vier-Bit-Binärzahl

Х=Х3*2 3 +Х2*2 2 +X1*2 1 +Х0 *2 0

In einer dazu proportionalen Spannung.

X i =0 oder 1. Für Operationsverstärker

K= –U out /U op =R oc /R

R ist der Gesamtwiderstand der parallel geschalteten Zweige, in denen die Schalter X geschlossen waren.

U op =U c – Referenzspannung, die dem Eingang des Operationsverstärkers über R zugeführt wird.

R oc – OS-Widerstand.

Х=8Х3+4Х2+2Х1+1Х0, U out =U op *R oc /R o (8X3+4X2+2X1+lX0)

U out =(–U op *R oc /R o)*Х; –U o p *R oc /R 0 =K – Proportionalitätskoeffizient, für jeden Kreis ist der Wert konstant.

- für unser Vorhaben.

Um die Anzahl der Ziffern zu erhöhen, muss die Anzahl der Widerstände erhöht werden (R o /16; R o /32 usw.). Wenn sich die Widerstände um das 1000-fache unterscheiden, nimmt die Genauigkeit ab.

Um diesen Nachteil bei Multibit-DACs zu beseitigen, werden die Gewichtungskoeffizienten jeder Stufe durch sequentielle Teilung der Referenzspannung mithilfe einer Widerstandsmatrix eingestellt. (R-2R)

Basierend auf diesem Prinzip wurde die Schaltung eines integrierten 10-Bit-DAC vom Typ K572PA1 in CMOS-Technologie aufgebaut.

Vorteile: geringer Stromverbrauch, hohe Geschwindigkeit (nicht mehr als 5 µs), gute Genauigkeit.

für jeden 2R-Widerstand 2 MOS-Transistoren, verbunden 1 und 0 (über einen Inverter). Gerade (in=1) Verbindungen vom Ausgang 1

Ungerade (in=0) Verbindungen, out. 2

Je nach Umwandlungsmethode werden sie in seriell, parallel und seriell-parallel unterteilt.

IN serielle ADCs Die Umwandlung eines analogen Werts in einen digitalen Code erfolgt in Schritten (Schritten), die sich sukzessive der gemessenen Spannung nähern.

Vorteil: Einfachheit; Nachteil: geringe Leistung.

In parallelen ADCs Gleichzeitig wird die Eingangsspannung mit den X– Referenzspannungen verglichen. In diesem Fall wird das Ergebnis in einem Schritt erzielt, es sind jedoch hohe Hardwarekosten erforderlich.

Leistung; Nachteil: Wie viele Referenzspannungen, so viele Komparatoren.

Eingangsspannung	Komparatorstatus	Doppelte Nummer
Uc, U	7 6 5 4 3 2 1	2 1 0
U c<0,5	0 0 0 0 0 0 0	0 0 0
U c ≤U c<1,5	0 0 0 0 0 0 1	0 0 1
1,5≤U c<2,5	0 0 0 0 0 1 1	0 1 0
2,5≤U c<3,5	0 0 0 0 1 1 1	0 1 1
3,5≤U c<4,5	0 0 0 1 1 1 1	1 0 0
4,5≤U c<5,5	0 0 1 1 1 1 1	1 0 1
5,5≤U c<6,5	0 1 1 1 1 1 1	1 1 0
6,5≤U c	1 1 1 1 1 1 1	1 1 1

Der Prozess der Umwandlung eines kontinuierlichen Signals in einen Code besteht aus Quantisierung und Kodierung.

Quantisierung ist die Darstellung einer kontinuierlichen Größe in Form einer endlichen Anzahl diskreter Werte (z. B. Potentialniveaus) und Codierung ist die Übersetzung von Kombinationen diskreter Werte in Binärzahlen zur Informationsverarbeitung in einem Computer.

Von den Eingabegeräten, die analoge Größen in die entsprechenden Codes binärer Zahlenkombinationen umwandeln, sind Geräte vom Typ Spannung-Zahl von Interesse.

Halten:

bc = t∙tg α =>

Die Eingangsspannung wird in einen Zwischenwert „Zeitintervall“ umgewandelt, der wiederum in einen digitalen Code (Zeitkodierungssystem) umgewandelt wird.

Die Eingangsspannung Uin wird mit einer Sägezahnspannung Up verglichen, die nach einem linearen Gesetz variiert.

Die Segmente b 1 c 1, b 2 c 2, b 3 c 3 repräsentieren einen diskreten Wert der Eingangsspannung. Das Intervall vom Beginn des Vergleichs bis zum Moment der Spannungsgleichheit U in = U p ist der Schenkel eines Dreiecks mit einem Neigungswinkel α. Alle drei Dreiecke sind ähnlich, daher tan α = const. Daher können wir sagen, dass die Segmente bc in gewissem Maßstab proportional zum entsprechenden Zeitintervall t sind. Daher kann die Messung diskreter Spannungswerte durch die Messung proportionaler Zeitintervalle, ersetzt durch eine Binärzahl, ersetzt werden.

GSI – Taktgenerator;

Und – Zufallsschema (logische Multiplikation);

Sch – Zähler;

T – Auslöser;

DI – Pulssensor;

GPI – Sägezahnimpulsgenerator;

= – Vergleichsschaltung oder Komparator;

Der GSI erzeugt eine Reihe von Impulsen einer bestimmten Frequenz, die die Umwandlungsfrequenz bestimmt; die Impulse gelangen über eine UND-Schaltung, die von einem Trigger gesteuert wird, in den Zählereingang. Wenn sich der Trigger im Nullzustand befindet, ist der Ausgang der UND-Schaltung 0 und am Eingang des Zählers werden keine Impulse empfangen. Den Beginn des Zeitintervalls bildet der Steuerimpuls UI, der den Trigger auf 1 setzt und den Beginn der Impulszählung im Zähler bestimmt.

Hoch

Uin

GSI

Das Ende des Zeitintervalls wird durch den Steuerimpuls UI2 festgelegt, der den Trigger auf 0 setzt und den Impulsfluss vom GSI zum Zähler stoppt. Die Vergleichsschaltung (Analogkomparator) vergleicht die umgewandelte Spannung Uin mit der vom GPI erzeugten Referenzspannung Up.

In dem Moment, in dem beide Spannungen zusammenfallen, erzeugt eine Einheit am Ausgang des Komparators einen Impuls UI2, der den Trigger auf 0 setzt und damit das Ende des Zeitintervalls definiert.

Die Anzahl der an den Zähler weitergeleiteten Impulse ist ein Code, der proportional zum diskreten Wert der umgewandelten Spannung ist.

Die Genauigkeit der Umwandlung wird durch die Genauigkeit des Spannungsvergleichs und die Position des Steuerimpulses relativ zu den Impulsen bestimmt. GSI.