D/A převodníky

 

 

Číslicově-analogové převodníky najdeme všude tam, kde je třeba převést informaci uloženou v číslicové formě do reálného světa analogových veličin, tudíž i v mikroprocesorové oblasti.

Základní aplikací D/A převodníku ve spojení s mikroprocesorem je generování různých hodnot výstupního napětí. Toto napátí mže být buď přímo použito pro řízení připojení akčních členů nebo může sloužit jako vstupní napští pro připojený převodník napští na jinou elektrickou nebo neelektrickou veličinu.

 

Ideální D/A převodník

        

                        Obr1. převodni charektiristika ideálního D/A převodníku

                                              

 

 

Vlastnosti D/A převodníků

Rozlišovací schopnost (kvantizační krok) Q:

Je vyjadřována počtem diskrétních stupňů výstupního analogového signálu a je v přímé souvislosti s počtem bitů vstupního datového slova n:

Maximální rychlost převodu:

Počet datových slov, která jsou převodníkem převedena na výstupní analogový signál za jednotku času.

 

Doba převodu:

Je to časový interval mezi přivedením vstupního datového slova na vstup převodníku a okamžikem dosažení ustálené hodnoty výstupního analogového signálu.

 

Výstupní rozsah převodníku:

Je rozdíl mezi (výstup, je-li na vstupu převodníku nulové datové slovo) a (výstup při největším n-bitovém datovém slovu). Tento rozsah je úměrný referenčnímu zdroji  na D/A převodníku a je možné jej měnit.

Rozsah: souměrnýbipolární

              Nesouměrný - unipolární

 

Kvantizační chyba:

Na výstupu převodníku nemůžeme nastavit libovolnou hodnotu analogového signálu, výstupní signál je schodovitý, jeho hodnoty mohou nabývat pouze diskrétních hodnot. Kvantizační šum se nazývá chyba způsobená diskrétními úrovňemi výstupního signálu. Maximální nepřesnost, tj. Rozdíl mezi požadovanou a nastavenou hodnotou výstupního signáluu je dán polovinou přírůstku výstupního signálu, odpovídajícímu nejnižšímu bitu vstupního datového slova (LSB).

 

Integrální linearita:

Je maximální odchylka výstupu převodníku od rovné úsečky mezi ideálním minimum a maximum.

 

Diferenciální linearita:

Odchylka dvou po sobě následujících hodnot výstupu od ideálního rozdílu mezi bity.

Obr2.  Převodní charakteristiky s dvěmi různými velikostmi nelinearit. a) INT 2LSB, DIF +/- 0,5LSB b)INT. 0,5LSB DIF. +/- 1LSB

 

Monotoničnost:

Znamená, že při zvednutí vstupního slova nikdy nedojde k poklesu na výstupu převodníku.

Obr3. Nemonotoničnost

 

Přesnost převodu:

V praxi se reálná převodní charakteristika liší od ideální vlivem:

a) Napěťového posunu - chyba nuly (offset)

b) Změnou ziskuchybou rozsahu

c) Nelinearitou převodníku

d) Přesnosti referenčního zdroje

 

 

Typy převodníků:

Přímé - vstupní datové slovo je přímo převedeno na výstupní napětí, příp. proud.

Nepřímé - Pomocný signál má tvar impulzu, měronosnou veličinou je šířka impulzu konstantní amplitudy, příp. poměr šířky impulzu k době převodu (střída)

 

Přímé – s váhovou strukturou od­porové sítě – napěťové váhování

  s příčkovou strukturou odporové sítě R – 2R 

  s váhovou strukturou kapacitorové sítě – nábojové váhování

  kombinované

              Sériové převodníky – S nábojovou redistribucí

                                       Algoritmický

 

 

Princip D/A převodníku váhovou strukturou od­porové sítě je znázorněn na obr 4.

Obr.4: D/A převodník s váhovou strukturou od­porové sítě

 

Řídicí veličinou je vstupní datové slovo, předávané prostřednictvím datové sběrnice. Jednotlivé bity vstupního slova s váhou 20, 21, 22, … , 2n ovládají jednotlivé elektrické přepínače, které mají v sérii odpory o takových hodnotách, že každá další hodnota je vždy dvojnásobkem předcházející. Pro napětí na vý­stupu převodníku můžeme psát:

kde n je počet bitů datového slova a Bi nabývá hodnot 0 nebo 1 podle stavu příslušného spínače.

Výhody: Rychlost, Monotoničnost,

Nevýhody: Přesnost –Velký rozsah hodnot odporů

                                   Malý počet bitů

Nemožnost vyrobit tak přesné hodnoty resistorů 

           

Velký rozsah hodnot odporů lze vyřešit zapojením na obr. 5. Kde se vyskytují jen dvě hodnoty odporu. Jejichž poměr je 2:1 a resistory v poměru se dají vyrobit s daleko větší přesností.

                 

Obr.5: D/A převodník s napěťovým váhováním

 

V tomto zapojení se využívá resistorů zapojených mezi referenční napětí a zem k dosažení váhovaných hodnot napětí  mezi těmito hodnotami. Pro N-bitový převodník bude potřeba 2N segmentů. Tyto segmenty jsou připojeny do přepínacího stromu, kde jsou spínače ovládány bitovým slovem. Jestliže je itý bit 1, pak spínače řízeny bitem bi jsou sepnuty. Jestliže je itý 0 pak jsou sepnuty spínače bineg.

Výhody: Rychlost, Monotoničnost,

Nevýhody: Velký počet odporů a spínačů pro větší počet bitů

                   Díky tomu omezení na cca. 8bitů

       Parazitní vlastnosti spínačů

                   

Parazitní vlastnosti spínačů se dají částečně redukovat snížením počtu spínačů a použití dekoderu N to 2N

 

 

 

Obr.6: D/A převodník s napěťovým váhováním s menším počtem spínačů

Ostatní vlastnosti jsou stejná jako v předchozím zapojení.

 

D/A převodník s příčkovou strukturou odporové sítě (Obr. 7),

Obr. 7 D/A převodník s příčkovou strukturou odporové sítě

 

 

Vstupní proud z referenčního zdroje napětí se dělí v každém uzlu a odpovídá dvojkové váze. Jelikož od­pory mají stejnou, resp. srovnatelnou hodnotu, mohou být vyrobeny stejnou technologií, čímž dosáhneme snadněji jejich stejnou toleranci a teplotní závislost. Struktura odporové sítě je uspořádána tak, že příspěvek každého následujícího bitu nalevo od každého uzlu je R. V důsledku toho příspěvek následujícího bitu k výstupnímu analogovému napětí se vždy zmen­šuje s násobkem 0,5.

Odstraňuje nevýhody předchozích zapojení s množství součástek a rozsahem velikostí součástek

 

 

 

D/A převodníky s váhovou strukturou kapacitorové sítě – nábojové váhování Obr.8

Obr.8 nábojové váhování: a) schéma b) princip funkce

Funguje na principu binárního dělení náboje v kapacitorové síti. Převodník pracuje ve dvou fázích.. Během fáze jedna jsou spodky kapacitorů připojeny na zem. Dále během fáze dva, jsou spínače s binární hodnotou 1 připojeny na referenční napětí. Výsledná situace může být popsána jako poměr náboje v kapacitorech připojených na referenční napětí ku celkovému náboji.

Výhody: Rychlost

Nevýhody: Velký poměr hodnot kapacitorů, omezení na cca 1024:1 tj. 10 bitů

        Nemonotoničnost,

 

 

Velký rozptyl hodnot lze řešit kapacitorovým děličem zařazeným mezi jednotlivé sekce kapacitorových polí.obr.9

 

 

obr.9 nábojové váhování s více kapacitorovými poli a kapacitorovým děličem

 

Pole v pravo odpovída MSB bitům. Bit 7 odpovídá 1/128 referenčního napětí. Pole vlevo pak odpovídá LSB bitům bit 8 nabije dělící kapacitu na ½ a proto má hodnotu ½ bitu 7.

Výhody: Nízký rozptyl hodnot kapacitorů a tudíž nižší spotřebovaná plocha.

Nevýhody: Dělící kapacitor musí být velice přesný

        Nemonotoničnost,

 

Kombinované:

Na obr. 10  jsou zobrazeny možnosti kombinace výšše uvedených postupů napěťového a nábojového dělění

 

 

Obr 10 kombinované D/A převodníky

           

U prvního případu probíhá nejdříve napěťové dělení pomocí resistorové sítě a pak následuje nábojové dělení pomocí kapacitorové sítě. Na druhém obrázku je tomu opačně

Výhodou může být relativně vyšší počet bitů a monotoničnost.

Nevýhodou opět potřeba přesných součástek

 

Sériové převodníky:

Jsou takové převodníky u nichž konverze probíhá odděleně. Obvykle jeden hodinový pulz na jeden bit. Na obr 11 je seriový převodník s nábojovou redistribucí

 

 

obr 11 seriový převodník s nábojovou redistribucí

 

Pouze 4 spínače a 2 kapacitory jsou potřeba pro tento druh převodníku. Spínač S4 vybíjí kapacitor C2. S2 nabíjí C1 na Vref a S3 vybíjí kapacitor C1. spínač S1 je nedistribuční spínač a dělí součet nábojů na kapacitoru na dva stejné díly. Konverze probíhá v N krocích a začíná se od LSB. Jestliže má bit hodnotu 0 kapacitor se vybije a jestliže má hodnotu 1 kapacitor se nabije na Vref. V dalším kroku je sepnut pouze spínač S1 a náboj rozdělí na dvě poloviny. Na C2 se tak objeví ½ V ref. Protože ale za dobu převodu bude spínač sepnut ještě (N-1)krát, bude ještě (N-1)krát půlena hodnota na kapacitoru C2 Pro N=8 a LSB=1 je na konci převodu na C2 díky jedničce u LSB hodnota 1/ 2N. Druhý nejméně významný bit, jelikož se do převodu zapojil až v druhém kroku, stihne se podělit pouze (N-1)krát a jeho přínos tedy je 1/2N-1.

Výhody: Velmi jednoduchý

                Málo součástek, malá plocha

                Monotonicita

Nevýhody:pomalý

                  Požadavek na relativně složité externí hodiny

                  Požadavek na velikou schodu obou kapacitorů

                  Počet bitů omezuje parazitní kapacitance spínačů

 

Algoritmický D/A převodník

Druhým typem seriových převodníků jsou převodníky algoritmické (obr. 12).

 

 

Obr12: pipeline přístup k algoritmickým převodníkům

 

Ty se zkládají ze sumátorů a zpožďovacích členů Příspěvek od MSB se v dalším kroku sečte z ½ příspěvku od MSB-1, v dalším kroku se tento součet sečte s ¼ příspěvku od MSB-2… U tohoto typu převodníku se může zpracovávat najednou N výstupů.

Výhody: Velmi jednoduchý

                Málo součástek, malá plocha

                Monotonicita

Nevýhody: Pomalý

                   Požadavek na relativně složité externí hodiny

 

 

Nepřímé převodníky:

U nepřímých D/A převodníků má buď pomocný signál tvar impulzu, měronosnou veličinou je šířka impulzu konstantní amplitudy, příp. poměr šířky impulzu k době převodu (střída) - převodníky s pulzně šířkovou modulací (PWM – Pulse Width Modulation) nebo je pomocný signál tvořen skupinou impulzů, měronosnou veličinou je počet impulzů konstantní šířky a amplitudy během doby převodu – převodníky s modulací hustotou pulzů (PDM – Pulse Density Modulation).

Nejrozšířenější převodníkem tohoto typu je delta-sigma D/A převodník, jehož zjednodušené blokové schéma je na obr 13.

 

obr 13.  Blokové schéma delta sigma D/A převodníku

 

Jak je vidět, převodníky tohoto typu jsou poměrně složité. Zkráceně se dá říct, že se vstupní slovo převede do delta sigma formátu a ten se převede do analogové podoby.

Výhody: Rozsah. Velké množství bitů

Nevýhody: Složitost.