A convertidor digital-analògic ( Daci , D / A , D2A , o D a A ) és un circuit dissenyat per convertir un senyal d’entrada digital en un senyal de sortida analògica. El convertidor analògic-digital (ADC) funciona de manera contrària i transforma un senyal d’entrada analògica en una sortida digital.
En aquest article discutim de manera exhaustiva com funcionen els circuits convertidors de digital a analògic i analògic a digital, mitjançant diagrames i fórmules.
En electrònica podem trobar tensions i corrents que varien contínuament amb diferents rangs i magnituds.
En els circuits digitals, el senyal de tensió té dues formes, ja sigui com a nivells lògics elevats o lògics baixos, que representen valors binaris d'1 o 0.
En un convertidor analògic a digital (ADC), el senyal analògic d’entrada es representa com una magnitud digital, mentre que un convertidor digital-analògic (DAC) converteix la magnitud digital de nou en un senyal analògic.
Com funcionen els convertidors de digital a analògic
El procés de conversió digital-analògic es pot dur a terme mitjançant moltes tècniques diferents.
Un mètode molt conegut utilitza una xarxa de resistències, coneguda com a xarxa d’escala.
Una xarxa d'escala està dissenyada per acceptar entrades que impliquen valors binaris normalment a 0 V o Vref i proporciona un voltatge de sortida equivalent a la magnitud de l'entrada binària.
La figura següent mostra una xarxa d’escala que utilitza 4 voltatges d’entrada, que representen 4 bits de dades digitals i una sortida de voltatge de corrent continu.
La tensió de sortida és proporcional al valor d'entrada digital, expressat per l'equació:
Resolt l’exemple anterior obtenim el següent voltatge de sortida:
Com veiem, una entrada digital de 01102es converteix en una sortida analògica de 6 V.
El propòsit de la xarxa d’escala és canviar les 16 magnituds binàries potencials
de 0000 a 1111 en una de les 16 magnituds de voltatge a intervals de Vref/ 16.
Per tant, pot ser possible processar més entrades binàries incloent un major nombre d'unitats d'escala i aconseguir una quantització més elevada per a cada pas.
És a dir, suposem que si fem servir una xarxa d’escales de 10 passos, permetrem l’ús per augmentar la quantitat de pas de tensió o la resolució a V.ref/ 210o Vref/ 1024. En aquest cas, si utilitzem una tensió de referència Vref= 10 V generaria tensió de sortida en passos de 10 V / 1024, o aproximadament a 10 mV.
Per tant, afegir més nombre d’etapes d’escala ens donarà una resolució proporcionalment més alta.
Normalment, per n nombre de graons d'escala, es pot representar mitjançant la fórmula següent:
Vref/ 2n
Diagrama de blocs DAC
La figura següent mostra el diagrama de blocs d’un DAC estàndard que utilitza una xarxa d’escales, referenciat com a escala R-2R. Això es pot veure bloquejat entre la font actual de referència i els commutadors actuals.
Els commutadors de corrent estan units amb els commutadors binaris, produint un corrent de sortida proporcional al valor binari d’entrada.
Les entrades binàries alternen les respectives potes de l’escala, permetent un corrent de sortida que és una suma ponderada de la referència actual.
Si cal, es poden connectar resistències amb les sortides per interpretar el resultat com a sortida analògica.
Com funcionen els convertidors analògics a digitals
Fins ara hem comentat com convertir senyals digitals en senyals analògics, ara aprenem a fer el contrari, és a dir, convertir un senyal analògic en un senyal digital. Això es pot implementar mitjançant un mètode ben conegut anomenat mètode de doble pendent .
La següent figura mostra el diagrama de blocs del convertidor ADC de doble pendent estàndard.
Aquí s’utilitza un commutador electrònic per transferir el senyal d’entrada analògica desitjat a un integrador, també anomenat generador de rampa. Aquest generador de rampa pot tenir la forma d’un condensador carregat amb un corrent constant per generar la rampa lineal. Això produeix la conversió digital necessària a través d’una etapa de comptador que funciona tant per intervals de pendent positius com negatius de l’integrador.
El mètode es pot entendre amb la següent descripció:
El rang complet de mesura del comptador decideix l'interval de temps fixat. Per a aquest interval, la tensió analògica d’entrada aplicada a l’integrador fa que la tensió d’entrada del comparador pugi a algun nivell positiu.
En fer referència a la secció (b) del diagrama anterior, es mostra que la tensió de l’integrador al final de l’interval de temps fixat és superior a la tensió d’entrada de magnitud més gran.
Quan s'acaba l'interval de temps fixat, el recompte s'estableix a 0, cosa que demana al commutador electrònic que connecti l'integrador a un nivell de voltatge d'entrada de referència fix. Després d'això, la sortida de l'integrador, que també és l'entrada del condensador, comença a caure a una velocitat constant.
Durant aquest període, el comptador avança, mentre que la sortida de l’integrador continua baixant a un ritme constant, fins que baixa per sota del voltatge de referència del comparador. Això fa que la sortida del comparador canviï d'estat i activi l'etapa lògica de control per aturar el recompte.
La magnitud digital emmagatzemada a l'interior del comptador es converteix en la sortida digital del convertidor.
L’ús d’un rellotge comú i una etapa d’integrador durant els intervals de pendent positiu i negatiu afegeix una mena de compensació per controlar la deriva de la freqüència del rellotge i el límit de precisió de l’integrador.
Pot ser possible escalar la sortida del comptador segons les preferències de l'usuari configurant adequadament el valor d'entrada de referència i la freqüència de rellotge. Podem tenir el comptador com a binari, BCD o en un altre format digital, si és necessari.
Ús de Ladder Network
El mètode de xarxa en escala que utilitza etapes de comptador i comparador és una altra forma ideal per implementar conversions analògiques a digitals. En aquest mètode, un comptador comença a comptar des de zero, que condueix una xarxa d’escala, generant un voltatge incremental escalonat, semblant a una escala (vegeu la figura següent).
El procés permet augmentar la tensió amb cada pas de recompte.
Un comparador controla aquesta tensió d'escala incremental i la compara amb la tensió d'entrada analògica. Tan bon punt el comparador detecta que el voltatge de l’escala passa per sobre de l’entrada analògica, la seva sortida demana que aturi el recompte.
El valor del comptador en aquest punt es converteix en l'equivalent digital del senyal analògic.
El nivell de canvi de la tensió generat pels passos del senyal de l'escala està determinat per la quantitat de bits de recompte utilitzats.
Per exemple, un comptador de 12 etapes que utilitza referència de 10 V operarà una xarxa d’escales de 10 etapes amb tensions de pas de:
Vref/ 212= 10 V / 4096 = 2,4 mV
Això crearà una resolució de conversió de 2,4 mV. El temps necessari per a l'execució de la conversió està determinat per la freqüència de rellotge del comptador.
Si s'utilitza la freqüència de rellotge d'1 MHz per operar un comptador de 12 etapes, el temps màxim de conversió seria:
4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms
El nombre mínim de conversions que pot ser possible per segon es pot trobar com:
no. de conversions = 1 / 4,1 ms ≈ 244 conversions / segon
Factors que influeixen en el procés de conversió
Tenint en compte que algunes conversions poden requerir més temps i algunes poden requerir un temps de recompte inferior, normalment un temps de conversió = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms pot ser un bon valor.
Això produirà un nombre de conversions de 2 x 244 = 488 de mitjana.
Un ritme de rellotge més lent significaria menys conversions per segon.
Un convertidor que funcioni amb un nombre inferior d’etapes de recompte (baixa resolució) tindria un percentatge de conversió més alt.
La precisió del convertidor està determinada per la precisió del compartaor.
Anterior: Com es calculen els transformadors de nucli de ferrita Següent: Circuit indicador de nivell de combustible ultrasònic
