ZU Digital-Analog-Wandler (( Dacian , D / A. , D2A , oder D-zu-A ) ist eine Schaltung zur Umwandlung eines digitalen Eingangssignals in ein analoges Ausgangssignal. Der Analog-Digital-Wandler (ADC) arbeitet umgekehrt und wandelt ein analoges Eingangssignal in einen digitalen Ausgang um.
In diesem Artikel diskutieren wir anhand von Diagrammen und Formeln ausführlich, wie Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandlerschaltungen funktionieren.
In der Elektronik können Spannungen und Ströme auftreten, die sich kontinuierlich mit unterschiedlichen Bereichen und Größen ändern.
In digitalen Schaltungen liegt das Spannungssignal in zwei Formen vor, entweder als logisch hohe oder logisch niedrige Logikpegel, die Binärwerte von 1 oder 0 darstellen.
Bei einem Analog-Digital-Wandler (ADC) wird das analoge Eingangssignal als digitale Größe dargestellt, während ein Digital-Analog-Wandler (DAC) die digitale Größe wieder in ein analoges Signal umwandelt.
Funktionsweise von Digital-Analog-Wandlern
Der Digital-Analog-Wandlungsprozess kann mit vielen verschiedenen Techniken durchgeführt werden.
Ein bekanntes Verfahren verwendet ein Netzwerk von Widerständen, das als Leiternetzwerk bekannt ist.
Ein Kontaktplannetzwerk ist so ausgelegt, dass es Eingänge mit Binärwerten akzeptiert, die typischerweise bei 0 V oder Vref liegen, und liefert eine Ausgangsspannung, die der Größe des Binäreingangs entspricht.
Die folgende Abbildung zeigt ein Leiternetzwerk mit 4 Eingangsspannungen, die 4 Bits digitaler Daten und einen Gleichspannungsausgang darstellen.
Die Ausgangsspannung ist proportional zum digitalen Eingangswert, ausgedrückt durch die Gleichung:
Wenn wir das obige Beispiel lösen, erhalten wir die folgende Ausgangsspannung:
Wie wir sehen, ein digitaler Eingang von 0110zweiwird in einen Analogausgang von 6 V umgewandelt.
Der Zweck des Leiternetzwerks besteht darin, die 16 möglichen binären Größen zu ändern
über 0000 bis 1111 in Intervallen von V in eine der 16 Spannungsgrößenref/ 16.
Daher kann es möglich sein, mehr Binäreingaben durch Einbeziehen einer größeren Anzahl von Leitereinheiten zu verarbeiten und für jeden Schritt eine höhere Quantisierung zu erreichen.
Angenommen, wir verwenden ein 10-Stufen-Leiternetzwerk, um die Spannungsschrittmenge oder die Auflösung auf V zu erhöhenref/zwei10oder V.ref/ 1024. In diesem Fall, wenn wir eine Referenzspannung V verwendet habenref= 10 V würde eine Ausgangsspannung in Schritten von 10 V / 1024 oder bei etwa 10 mV erzeugen.
Wenn Sie also mehr Leiterstufen hinzufügen, erhalten Sie eine proportional höhere Auflösung.
Typischerweise für n Anzahl der Leiterstufen, dies kann durch die folgende Formel dargestellt werden:
V.ref/ zwein
DAC-Blockdiagramm
Die folgende Abbildung zeigt das Blockdiagramm eines Standard-DAC unter Verwendung eines Leiternetzwerks, das als R-2R-Leiter bezeichnet wird. Dies ist zwischen der Referenzstromquelle und den Stromschaltern gesperrt.
Die Stromschalter sind mit den Binärschaltern verbunden und erzeugen einen Ausgangsstrom proportional zum Eingangsbinärwert.
Die Binäreingänge schalten die jeweiligen Schenkel der Leiter um und ermöglichen einen Ausgangsstrom, der eine gewichtete Summe der Stromreferenz ist.
Bei Bedarf können Widerstände an die Ausgänge angeschlossen werden, um das Ergebnis als Analogausgang zu interpretieren.
Funktionsweise von Analog-Digital-Wandlern
Bisher haben wir besprochen, wie digitale in analoge Signale umgewandelt werden. Lassen Sie uns nun lernen, wie man das Gegenteil macht, dh ein analoges Signal in ein digitales Signal umwandelt. Dies kann durch eine bekannte Methode namens Dual-Slope-Methode .
Die folgende Abbildung zeigt das Blockschaltbild für den Standard-ADC-Wandler mit doppelter Steigung.
Hier wird ein elektronischer Schalter verwendet, um das gewünschte analoge Eingangssignal an einen Integrator zu übertragen, der auch als Rampengenerator bezeichnet wird. Dieser Rampengenerator kann in Form eines Kondensators vorliegen, der mit einem konstanten Strom zum Erzeugen der linearen Rampe geladen ist. Dies erzeugt die erforderliche digitale Umwandlung durch eine Zählerstufe, die sowohl für positive als auch für negative Steigungsintervalle des Integrators arbeitet.
Das Verfahren kann mit der folgenden Beschreibung verstanden werden:
Der volle Messbereich des Zählers bestimmt das feste Zeitintervall. Für dieses Intervall bewirkt die an den Integrator angelegte analoge Eingangsspannung, dass die Eingangsspannung des Komparators auf einen positiven Pegel ansteigt.
Unter Bezugnahme auf den Abschnitt (b) des obigen Diagramms wird gezeigt, dass die Spannung vom Integrator am Ende des festen Zeitintervalls höher ist als die Eingangsspannung, deren Größe größer ist.
Wenn das feste Zeitintervall abgelaufen ist, wird der Zähler auf 0 gesetzt, wodurch der elektronische Schalter aufgefordert wird, den Integrator an einen festen Referenz-Eingangsspannungspegel anzuschließen. Danach beginnt der Ausgang des Integrators, der auch der Eingang des Kondensators ist, mit einer konstanten Rate abzufallen.
Während dieser Zeit läuft der Zähler weiter vor, während der Ausgang des Integrators mit konstanter Geschwindigkeit weiter abfällt, bis er unter die Referenzspannung des Komparators fällt. Dies bewirkt, dass der Komparatorausgang seinen Zustand ändert und die Steuerlogikstufe auslöst, um die Zählung zu stoppen.
Die im Zähler gespeicherte digitale Größe wird zum digitalen Ausgang des Wandlers.
Die Verwendung einer gemeinsamen Takt- und Integratorstufe sowohl während des positiven als auch des negativen Steigungsintervalls fügt eine Art Kompensation zum Steuern der Drift der Taktfrequenz und der Genauigkeitsgrenze des Integrators hinzu.
Es kann möglich sein, die Zählerausgabe gemäß den Benutzerpräferenzen zu skalieren, indem der Referenzeingabewert und die Taktrate geeignet eingestellt werden. Wir können den Zähler als binär, BCD oder in einem anderen digitalen Format haben, wenn es erforderlich ist.
Verwenden des Kontaktplannetzwerks
Das Kontaktplannetzwerkverfahren unter Verwendung von Zähler- und Komparatorstufen ist ein weiterer idealer Weg, um eine Analog-Digital-Wandlung zu implementieren. Bei diesem Verfahren beginnt ein Zähler ab Null zu zählen, wodurch ein Leiternetzwerk angesteuert wird und eine schrittweise inkrementierende Spannung erzeugt wird, die einer Treppe ähnelt (siehe Abbildung unten).
Der Prozess ermöglicht es, die Spannung mit jedem Zählschritt zu erhöhen.
Ein Komparator überwacht diese inkrementierende Treppenspannung und vergleicht sie mit der analogen Eingangsspannung. Sobald der Komparator die über dem Analogeingang liegende Treppenspannung erfasst, fordert sein Ausgang auf, die Zählung zu stoppen.
Der Zählerwert wird an dieser Stelle zum digitalen Äquivalent des analogen Signals.
Der Änderungspegel der Spannung, die durch die Schritte des Treppensignals erzeugt wird, wird durch die Anzahl der verwendeten Zählbits bestimmt.
Zum Beispiel wird ein 12-Stufen-Zähler unter Verwendung einer 10-V-Referenz ein 10-Stufen-Leiternetz mit Stufenspannungen von:
V.ref/zwei12= 10 V / 4096 = 2,4 mV
Dadurch wird eine Konvertierungsauflösung von 2,4 mV erstellt. Die für die Ausführung der Umwandlung erforderliche Zeit wird durch die Taktrate des Zählers bestimmt.
Wenn die Taktrate von 1 MHz für den Betrieb eines 12-Stufen-Zählers verwendet wird, beträgt die maximale Zeit für die Konvertierung:
4096 x 1 μs = 4096 μs ≤ 4,1 ms
Die geringste Anzahl von Conversions, die pro Sekunde möglich sind, kann wie folgt ermittelt werden:
Nein. Anzahl der Umwandlungen = 1 / 4,1 ms ≈ 244 Umwandlungen / Sekunde
Faktoren, die den Konvertierungsprozess beeinflussen
In Anbetracht der Tatsache, dass einige Konvertierungen möglicherweise höhere und andere niedrigere Zählzeiten erfordern, kann eine Konvertierungszeit = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms in der Regel ein guter Wert sein.
Dies führt zu einer durchschnittlichen Anzahl von 2 x 244 = 488 Conversions.
Eine langsamere Taktrate würde weniger Conversions pro Sekunde bedeuten.
Ein Konverter, der mit einer geringeren Anzahl von Zählstufen (niedrige Auflösung) arbeitet, hätte eine höhere Konvertierungsrate.
Die Genauigkeit des Wandlers wird durch die Genauigkeit des Kompartiments bestimmt.
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