Принцип работы цап. Принцип работы ЦАП: устройство, типы и применение цифро-аналоговых преобразователей

Как работает цифро-аналоговый преобразователь. Каковы основные типы и схемы ЦАП. Для чего нужны ЦАП и где они применяются. Каковы ключевые параметры и характеристики ЦАП.

Что такое цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)?

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — это электронное устройство, которое преобразует цифровой код (обычно двоичный) в аналоговый сигнал (напряжение или ток). ЦАП является важным связующим звеном между цифровыми и аналоговыми системами.

Основные функции ЦАП:

• Преобразование цифровых данных в аналоговую форму
• Восстановление аналоговых сигналов из цифровых
• Формирование аналоговых управляющих сигналов на основе цифровых кодов

ЦАП широко применяются в различных областях электроники и техники, где требуется связь между цифровыми устройствами обработки информации и аналоговыми системами.

Принцип работы цифро-аналогового преобразователя

Принцип работы ЦАП основан на суммировании аналоговых сигналов, соответствующих весовым коэффициентам разрядов входного цифрового кода. Каждому разряду цифрового кода соответствует определенный аналоговый сигнал (ток или напряжение). Чем старше разряд, тем больше вес соответствующего ему аналогового сигнала.

Основные этапы работы ЦАП:

1. Формирование набора аналоговых сигналов, соответствующих весам разрядов
2. Коммутация аналоговых сигналов в соответствии с входным цифровым кодом
3. Суммирование выбранных аналоговых сигналов
4. Преобразование суммарного сигнала в требуемую форму (ток или напряжение)

В результате на выходе ЦАП формируется аналоговый сигнал, пропорциональный входному цифровому коду.

Основные типы и схемы цифро-аналоговых преобразователей

Существует несколько базовых схем построения ЦАП:

1. ЦАП с суммированием весовых токов

Принцип работы основан на суммировании токов, пропорциональных весам разрядов входного кода. Каждому разряду соответствует свой источник тока. Токи суммируются на общей нагрузке, формируя выходной аналоговый сигнал.

2. ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R

Использует резистивную матрицу с соотношением сопротивлений 1:2. Входной код управляет подключением узлов матрицы к источнику опорного напряжения или общей шине. Выходной сигнал формируется как сумма токов через резисторы матрицы.

3. ЦАП на переключаемых конденсаторах

Основан на перераспределении заряда между конденсаторами. Входной код управляет подключением конденсаторов к источнику опорного напряжения. Выходной сигнал формируется как результат перераспределения заряда.

Ключевые параметры и характеристики ЦАП

Основные параметры, характеризующие работу ЦАП:

• Разрядность — количество битов входного кода
• Разрешение — минимальное изменение выходного сигнала при изменении входного кода на 1
• Погрешность преобразования — отклонение реальной характеристики от идеальной
• Время установления — время перехода к новому значению выходного сигнала
• Нелинейность — отклонение характеристики от линейной зависимости
• Монотонность — отсутствие локальных экстремумов характеристики

Эти параметры определяют точность, быстродействие и качество работы ЦАП в различных приложениях.

Области применения цифро-аналоговых преобразователей

ЦАП широко используются в различных областях техники:

• Аудиотехника — восстановление аналогового звукового сигнала
• Видеотехника — формирование аналоговых видеосигналов
• Системы автоматического управления — формирование управляющих воздействий
• Измерительная техника — калибровка и поверка приборов
• Телекоммуникации — модуляция сигналов
• Медицинская техника — обработка биосигналов

ЦАП являются ключевым элементом многих современных электронных устройств, обеспечивая связь между цифровым и аналоговым миром.

Преимущества и недостатки цифро-аналоговых преобразователей

Основные преимущества использования ЦАП:

• Высокая точность преобразования
• Широкий динамический диапазон
• Хорошая помехозащищенность
• Возможность программного управления
• Совместимость с цифровыми системами

Недостатки ЦАП:

• Ограниченное быстродействие
• Наличие ступенчатости выходного сигнала
• Необходимость фильтрации выходного сигнала
• Сложность схемотехнической реализации

Несмотря на определенные недостатки, преимущества ЦАП обеспечивают их широкое применение в современной электронике.

Перспективы развития технологий цифро-аналогового преобразования

Основные направления совершенствования ЦАП:

• Повышение разрядности и точности преобразования
• Увеличение быстродействия
• Снижение энергопотребления
• Интеграция с цифровыми системами на одном кристалле
• Развитие технологий цифровой коррекции погрешностей

Развитие технологий ЦАП позволит создавать более совершенные системы обработки сигналов и управления во многих областях техники.

Цифро-аналоговый преобразователь. Так ли все просто?

В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП.

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.

 

Принцип работы

Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.

Табл. 1. Сигналы четырехразрядного ЦАП (опорное напряжение 5 В)

Входной код	Выходное напряжение, В
0000	0,0000
0001	0,3125
0010	0,6250
0011	0,9375
0100	1,2500
0101	1,5625
0110	1,8750
0111	2,1875
1000	2,5000
1001	2,8125
1010	3,1250
1011	3,4375
1100	3,7500
1101	4,0625
1110	4,3750
1111	4,6875

 

Характеристики ЦАП

Наиболее важные характеристики ЦАП:

• Разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и точность преобразования.
• Передаточная характеристика (ПХ) — зависимость выходного сигнала ЦАП от входных данных.
• Разрядность (N) — количество бит во входном коде.
• Разрешение — это выходное напряжение, соответствующее 1 МЗР. Оно зависит от количества разрядов и определяет точность преобразования сигнала.
• Частота дискретизации (частота Найквиста) — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала.
• Полная шкала — диапазон значений выходного сигнала.
• Монотонность — участок на ПХ, где наклон постоянен. На этом участке ЦАП линеен.
• Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в заданный диапазон отклонения.
• Выходной выброс — это переходный процесс, возникающий во время смены входных данных. Величина выброса зависит от количества переключаемых разрядов.
• Погрешность смещения нуля — разность между фактическим и идеальным выходным сигналом, когда на входе ноль.
• Погрешность ПШ — разница между фактическим выходным напряжением и напряжением ПШ.
• Погрешность усиления — отклонение наклона ПХ от идеального.
• Дифференциальная нелинейность — разность приращений выходных сигналов, соответствующих смежным соседним кодам.
• Интегральная нелинейность — максимальное отклонение реальной ПХ от прямой линии.

 

Классификация

Цифро-аналоговые преобразователи делятся по типу входных данных на последовательные и параллельные. По разрядности выделяют ЦАП с повышенной точностью (большая разрядность, N≥14) или с высоким быстродействием (6—8 разрядов). Выходной сигнал может иметь форму напряжения, тока или заряда.

Рассмотрим некоторые структуры ЦАП. Простейшим ЦАП является взвешивающий (делитель Кельвина), структура которого показана на рисунке 1. Каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (или проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. N-разрядный ЦАП содержит 2N одинаковых последовательно соединенных резистора и 2N ключа (обычно КМОП), по одному между каждым узлом цепи и выходом.

Рис. 1. Структура взвешивающего ЦАП

Взвешивающий метод — один из самых быстрых, однако характеризуется наименьшей точностью. Обычно такой ЦАП имеет выход по напряжению и отличается хорошей монотонностью. Если все резисторы одинаковы, ЦАП линеен. Недостаток данной модели — относительно высокий выходной импеданс и большое количество резисторов и ключей.

ЦАП на матрице R–2R. Это одна из наиболее распространенных структур (см. рис. 2). Здесь используются только две величины сопротивлений, находящихся в отношении 2:1. Количество резисторов равно 2N. Резистивный делитель можно использовать в качестве ЦАП двумя способами, в режиме напряжения и режиме тока (они также известны как нормальный и инверсный режимы). Главное преимущество ЦАП с выходом по напряжению заключается в том, что выходной импеданс постоянен. Второе достоинство — отсутствие емкостных токов в нагрузке. Недостатки данной структуры: во-первых, опорный источник должен иметь очень низкий импеданс; во-вторых, для регулирования усиления нельзя использовать резистор, включенный последовательно с опорным источником. В токовом режиме это допустимо, однако выбросы в токовой схеме больше. С другой стороны, ключи находятся под потенциалом земли, поэтому защита от большого перепада напряжений не требуется.

Рис. 2. ЦАП на R–2R матрице с выходом в форме напряжения

В сигма-дельта ЦАП (см. рис. 3) преобразование осуществляется с помощью сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой, в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста. Как видно из рисунка 4, сигма-дельта модулятор преобразует входной сигнал в последовательный непрерывный поток нулей и единиц. Если входной сигнал близок к положительному краю полной шкалы, в битовом потоке на выходе больше единиц, чем нулей, и наоборот, если сигнал ближе к отрицательному краю, то больше нулей. Для сигнала, близкого к середине шкалы, количество нулей и единиц примерно одинаково.

Рис. 3. Общая структура сигма-дельта ЦАПРис. 4. Принцип работы сигма-дельта модулятора

Интерполяционный фильтр представляет собой цифровую схему, которая принимает данные, поступающие с низкой частотой дискретизации, вставляет нули в поток данных, увеличивая тем самым частоту дискретизации, затем применяет алгоритм интерполяции и выдает данные с высокой частотой дискретизации. Выходное напряжение одноразрядного ЦАП переключается между равными по значению положительным и отрицательным опорными напряжениями. Выход фильтруется аналоговым ФНЧ.

Перемножающий ЦАП работает с различными опорными сигналами, в т.ч. переменного тока. Выходной сигнал пропорционален произведению опорного напряжения на дробный эквивалент цифрового входного числа.

Сегментированные (гибридные) преобразователи. При проектировании конкретного ЦАП может оказаться так, что ни одна из базовых структур не подходит, и придется комбинировать различные структуры для получения ЦАП с высоким разрешением и требуемыми характеристиками.

 

Подбор ЦАП

Для выбора подходящего ЦАП необходимо определить требования, которым должны соответствовать его параметры. В первую очередь это — разрядность, разрешение, время установления выходного сигнала (быстродействие), интерфейс подключения, напряжение питания и т.д. Обычно при проектировании устройства сначала выбирается его главный элемент — вычислительное ядро (процессор, ПЛИС, МК и т.д.), который определяет интерфейс обмена с остальными элементами схемы. В таблице 2 приведены четыре наиболее распространенных интерфейса для ЦАП.

Табл. 2. Сравнение интерфейсов ЦАП

Интерфейс	Количество выводов	Скорость работы
Параллельный	Данные: 8—16 линий; Управление и тактирование — 2—4 линии	До 100 Мбит/с
I2C	2 линии: данные и тактирование	До 1 Мбит/с
SPI	4 линии: тактовый сигнал, выходные данные, входные данные, выборка кристалла	До 400 Мбит/с
Microwire	3 линии: тактовый сигнал, входные данные, синхронизация кадра	До 400 Мбит/с

Параллельный интерфейс — наиболее простой в реализации, однако при этом используется много линий передачи данных, микросхема имеет много выводов и занимает больше места на плате. Последовательные шины I2C и SPI являются наиболее распространенными в современных МК. Недостаток SPI — его нельзя настраивать так точно, как I2C, поэтому устройства с SPI могут быть не полностью совместимы между собой.

Разрядность ЦАП и величина опорного напряжения определяют шаг изменения выходного сигнала. Время установления определяет быстродействие ЦАП. При работе с постоянными или низкочастотными сигналами этот параметр не имеет большого значения. Однако им нельзя пренебрегать при работе на ВЧ.

Нелинейности бывают двух типов: интегральная и дифференциальная. Линейный ЦАП работает как зеркало, точно отражая входные данные. Влияние нелинейностей проиллюстрировано рисунком 5. Как правило, эти искажения следует учитывать в прецизионных схемах, таких как системы калибровки или измерительное оборудование.

Рис. 5. Нелинейные искажения выходного сигнала

Для работы ЦАП нужно два источника напряжения (питания и опорное). В некоторых схемах для них используется один вывод, однако в этом случае точность ИП должна быть очень высокой, не хуже 1%. Преобразователи с раздельными выводами имеют более сложную схему, однако они не так требовательны к выбору ИП.

Тип и размер корпуса также имеют большое значение и могут существенно сузить диапазон выбора. Например, если конвейер автоматической сборки не позволяет устанавливать ИС с шариковыми выводами, то ЦАП, не выпускающиеся в других корпусах, использовать нельзя. Во-вторых, корпус может повлиять на распределение тепла на плате. В портативных устройствах и устройствах с батарейным питанием можно использовать только малопотребляющие ЦАП.

 

Шумовые характеристики

Источниками шума в схеме являются проводники, разъемы, трансформаторы, индуктивности, электрическое поле, создаваемое конденсаторами, антенны и прочие элементы. Наибольший вклад вносят шумы от проводящих линий.

Как известно, соединительные проводники представляют собой не только активное, но и реактивное сопротивление. Соответственно, нужно следить за тем, чтобы все контуры возвратных токов были как можно меньше, тогда индуктивность проводов уменьшается и не возникает шума по земляной шине.

 

Формирование выходного сигнала

ЦАП можно подключить к нагрузке напрямую, однако, как правило, ставится дополнительный буфер или согласующее устройство. Это может быть неинвертирующий ОУ или повторитель напряжения (см. рис. 6). При использовании буфера следует удостовериться, что он не вносит погрешность больше 1/2 МЗР. При согласовании ОУ с ЦАП следует учитывать и другие параметры ОУ: полосу пропускания, размах напряжения и т.д.

Рис. 6. Способы формирования выходного сигнала

 

Земля

Если на плате имеется только один слой земли, то шум от цифровых элементов может проникнуть в аналоговую часть схемы. Чтобы избежать этого, рекомендуется делать отдельные полигоны земли для аналоговой и цифровой частей, соединенные тонким проводником. Второй способ — использовать два внутренних слоя, соединенных сквозным отверстием. Этот метод более надежен, однако стоимость платы увеличивается

Литература

1. McCulley В. Bridging the Divide
2. Kester W. Data Conversion Handbook//Analog Devices, 2004.

Что такое ЦАП? Устройство, схемы, назначение, параметры

Пример HTML-страницы

Содержание

1. Что такое ЦАП?
2. Схема ЦАП с суммированием весовых токов
3. ЦАП на резистивной матрицы R — 2R
4. ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел
5. Параметры ЦАП

Что такое ЦАП?

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) — предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук). Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом (что, в частности, имеет место при управлении двигателями).

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др.

Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления t_уст — интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выход­ной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью.

Погрешность нелинейности — максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Как и рассматриваемые аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.

Схема ЦАП с суммированием весовых токов

На рис. 3.88 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Ключ S₅ замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S₁…S₄ (при этом u_вых= 0). U₀

— опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП — инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ

S1, то u_вых= −U₀R_oc/ R

что соответствует в первом и нулям в остальных разрядах.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1…S4. Токи ключей S1…S4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы.

Из вышеизложенного следует, что u_вых= − ( U₀R_oc / R ) · S₁ − ( U₀R_oc / (R/2) ) · S₂ – − ( U₀R_oc / (R/4) ) · S₃ − ( U₀R_oc / (R/8) ) · S₄ = = − ( U₀R_oc / R ) · ( 8S₄ + 4S₃ + 2S₂ + S₁)

где S_i ,i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

ЦАП на резистивной матрицы R — 2R

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R(матрицы постоянного сопротивления) (рис. 3.89).

В схеме использованы так называемые перекидные ключи S₁…S₄, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S₅ замкнут только тогда, когда все ключи S₁…S₄ подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1. ..S4. Анализ легко выполнить, учитывая следующее.

Пусть каждый из ключей S₁…S₄ подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»…«d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжения U_а, U_b, U_c и U_d в указанных точках определяются следующим образом:

U_a = U₀

U_c = U₀ / 2

U_b = U₀ / 4

U_d = U₀ / 8

Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «a»…«d» не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

Из вышеизложенного следует, что:

u_вых= − ( U₀R_oc / 2R ) · S₄ − ( (U₀/2) R_oc / 2R ) · S₃ –  ( (U₀/4) R_oc / 2R ) · S₂ − ( (U₀/8) R_oc / 2R ) · S₁ =  − ( U₀R_oc/ 16R) · ( 8S₄+ 4S₃+ 2S₂ + S₁)

где S_i , i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел

Рассмотрим ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел (рис. 3.90).

Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R − 2R (обозначены прямоугольниками). Z₀…Z₃ обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R − 2R.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ фрагмента схемы, представленного на рис. 3.91.

Из анализа следует, что

U₂ = U₁ · [ ( R||9R) / (8,1R + R||9R) ]

R||9R = (R · 9R) / (R + 9R) = 0,9R

Следовательно, U₂ = 0,1 U₁. С учетом этого получим?

u_вых= − ( U₀R_oc / 16R ) · 10⁻³ ( 10³ · Z₃ + 10² · Z₂ + 10 · Z₁ + Z₀)

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 3.2 приведены…

Параметры ЦАП

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Сигналы в основном подразделяются на два типа, т. е. аналоговые и цифровые сигналы. Данные или информация, которые мы воспринимаем в реальном мире, существуют в аналоговой форме, в то время как цифровые устройства, такие как мобильный телефон, калькулятор и компьютер, могут воспринимать сигнал данных только в цифровом виде. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — это два типа преобразователей, которые мы используем в повседневной жизни для преобразования сигналов друг в друга.

Содержание

Что такое ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь)?

Цифро-аналоговый преобразователь — это электронная схема, которая преобразует любой цифровой сигнал (например, двоичный сигнал) в аналоговый сигнал (напряжение или ток).

Цифровой сигнал, такой как двоичный сигнал, существует в форме битов и представляет собой комбинацию 1 и 0 (или высокого и низкого уровней напряжения). ЦАП преобразует эти биты в аналоговое напряжение или ток.

ЦАП имеет несколько цифровых входов и один аналоговый выход.

• Запись по теме: Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — блок-схема, факторы и приложения

Необходимость ЦАП

В реальном мире информация существует в аналоговой форме. Почему мы в первую очередь конвертируем их в цифровую форму, если мы хотим преобразовать их обратно? Скорость обработки цифрового компьютера очень высока, и он может вычислять или обрабатывать любые данные за микросекунды. Это экономит время и помогает обрабатывать сложные данные в соответствии с нашими потребностями. Но мы не можем понять цифровые данные в реальном мире.

Чтобы понять данные, которые мы обрабатываем в цифровой области, нам необходимо преобразовать их в аналоговую область. Примером этого может быть процесс редактирования аудио и видео. Мы собираем данные с помощью нашей цифровой камеры и микрофона для преобразования аналоговых данных в цифровые. Мы обрабатываем его, используя наши компьютеры, чтобы редактировать его в соответствии с потребностями. Чтобы просмотреть нашу отредактированную работу, мы используем ЦАП, чтобы преобразовать ее обратно в аналоговый домен, чтобы просматривать и слушать ее через наш экран и динамики.

Related Posts:

• Двоичный умножитель — типы и калькулятор двоичного умножения
• Двоичный сумматор и вычитатель – конструкция, типы и применение

Работа ЦАП

Цифровые двоичные данные существуют в виде битов. Каждый бит равен 1 или 0, и они представляют его вес, соответствующий его положению. Вес равен 2 ⁿ , где n — это положение биты с правой стороны и начинается с 0,9.0007

Вес бита = 2 ⁿ

Вес бита 4 ^th бит слева = 2 ⁿ = 2 ³ = 8

Значение бита умножается на вес бита. Поскольку бит может быть либо 0, либо 1, это означает;

Значение бита 1 x вес бита = 1 x 2 ⁿ = 2 ⁿ

Значение бита 0 x вес бита = 0 x 2 ^(n-1) = 0

все биты со своим значением в двоичном числе 10011;

1 0011 ₂ = (1 х 2 ⁴ ) + (0 х 2 ³ ) + (0 х 2 ² ) + (1 х 2 ¹ ) + (1 х 3 2 9 )

10011 ₂ = 16 + 0 + 0 + 2 + 1

10011 ₂ = 19

Так работает цифро-аналоговый преобразователь ЦАП, добавляя веса всех соответствующих битов к генерировать аналоговое значение на своем выходе.

Похожие сообщения:

• MUX – цифровой мультиплексор | Типы, конструкция и применение
• DEMUX – демультиплексор | Типы, конструкция и применение

Типы ЦАП

ЦАП может быть разработан с использованием одного из следующих типов схем.

Метод взвешенного резистора

Метод взвешенного резистора использует схему суммирующего операционного усилителя. Суммирующий усилитель суммирует входные сигналы с разными коэффициентами усиления, соответствующими их резисторам.

В _вых = – {(R _f /R ₀ ) V ₀ + (R _f /R ₁ ) V ₁ + (R _f /R _{+ 5 2 8) (R f /R + 5 2 8) f /R n-1 ) V n-1 }}

Его можно использовать в качестве ЦАП, если мы назначим каждому резистору a определенное значение для масштабирования их коэффициента усиления в виде 2, 4, 8, 16 и так далее. Как мы знаем, V _ref (опорное напряжение или максимальное аналоговое выходное напряжение) является единственным входным сигналом (помимо двоичного входа), поэтому;

V _OUT = — {(R _F /R ₀ ) V _ref + (R _F /R ₁ ) V _Ref + (R _F /R). ₂ ) V _Ref +… + (R _F /R _N-1 ) V _REF }

V _OUT = V _REF {R _F /R _ref {R _F /R REF 0 ) + (R _f /R ₁ ) + (R _f /R ₂ ) +… + (R _f /R _n-1 ) }

В этой схеме двоичный вход 1 или 0 используется для переключения между v _ref и GND. Вход B = 1 означает, что переключатель подключен к V _ref , а B = 0 означает, что переключатель подключен к GND. В таком случае уравнение для двоичного числа B ₀ , B ₁ , B ₂ … B _n  ; где B ₀ — младший разряд, а B _n — старший разряд, становится

V _из = — V _ref { B ₀ (R _f /R ₀ ) + B ₁ (R _f /R ₁ )+ B ₂ (R _f /R ₂ + 0 9 0 + 0 9 (R _f /R _n-1 ) }

Резистор R _f = R. а R ₀ , R ₁ , R ₂

6 8, & R 900 масштабируется для обеспечения необходимого усиления, соответствующего весу каждого бита. Резисторы масштабируются со значениями 2 ^(N-1)-n , так что;

R _n = 2 ^(N-1)-n R где N — количество битов, а n — позиция бита (Р/2 ^(Н-1) Р) + Б ₁ (Р/2 ^(Н-2) Р) + Б ₂ (Р/2 ^(Н-3) Р) + … + B _N-2 (R /2 ¹ R) +B _N-1 (R /2 ⁰ R) }

V _out = – V _ref { 5 B 0 (1/2 ^(Н-1) ) + В ₁ (1 / 2 ^(Н-2) ) + В ₂ (1/2 ^(Н-3) ) +… + В _Н-2 (1 / 2 ⁽¹⁾ ) +B _N-1 (1/2 ⁰ ) }

Выходное напряжение для 4-битного двоичного числа будет равно;

V _вых = – V _ref { B ₀ (1/2 ³ ) + B ₁ (1/2 ⁽²⁾ ) + B _{60 (1/2 ⁽²⁾ ) + B 60 (1/2 ³ ) (1) ) + B 3 (1/2 ⁰ ) }}

В _вых = – V _ref { B ₀ (1/8) + B ₁ (1/4) + B ₂ (1/2) + B ₃ }

Как можно

см. , каждый резистор масштабируется, чтобы добавить битовый вес каждого бита двоичного входа.

Упрощенная формула для такой цепи будет следующей: Н-2) ) + Б ₂ (1/2 ^(Н-3) )) + Б ₃ (1/2 ^(N-4) ) + B ₄ (1/2 ^(N-5) +…}

Где знаменатель 2 ^(N-1) представляет собой коэффициент масштабирования каждый соответствующий резистор

Похожие сообщения:

• Транзистор PNP?
• NPN транзистор? Строительство, работа и применение

Пример:

Преобразуем двоичное число 01101 в аналоговый выход, где v _исх. = 10В.

Итак, N = 5

V _out = – V _ref { B ₀ (1/2 ^(N-1) )) + B ₁ (1/2 ²⁾ ) + В ₂ (1/2 ^(Н-3) )) + В ₃ (1/2 ^(Н-4) ) + В ₄ (1/2 ^{( N-5)} }

V _вых = – V _исх. { B ₀ (1/2 ⁴ ) + B ₁ (1/2 ^{3 90 8 5 B 2 0 0) 1/2 2 ) + В ₃ (1/2 1 ) + B ₄ (1/2 0 ) }}

В _из = – (10) { 1 (1/2 ^{5 +) () /2 4 ) + 1 (1/2 3 ) + 1 (1/2 2 ) + 0 (1/2 1 )}}

В _вых = – (10) { 1 /2 ⁵ + 0 + 1/2 ³ + 1/2 ² + 0}

В _из = – (10) { 1/32 + 1/8 + 1/4}

V _out = – 4,0625v

Недостатки метода взвешенных резисторов;

• Увеличение количества входных битов требует резисторов большого номинала (увеличивается экспоненциально)
• Значения больших резисторов неточны и всегда имеют некоторый % плюс-минус.
• Ошибка в значении резистора приводит к потере точности ЦАП для больших двоичных чисел.
• Из-за сложности проектирования резисторов реализовать его нецелесообразно.

Related Post:

• Типы выпрямителей и их работа
• Типы диодов и их применение

Эти недостатки можно устранить, используя другой метод, описанный ниже.

Релейная схема R-2R

Этот метод более точен, точен и прост в разработке, чем метод взвешенного резистора. Лестничная цепь R-2R создается путем добавления комбинации резисторов R и 2R в каскадной форме, как показано на следующем рисунке.

Используются только два типа резисторов. Каждый каскад содержит R и 2R, используется для одного бита. Есть переключатель между V _ref  и GND, который управляется двоичным входом. Бит 0 означает, что GND подключен, а бит 1 означает, что подключен V _ref .

Рабочий ;

Предположим, что 3-битный ЦАП использует релейную диаграмму R-2R.

B ₂ B ₁ B ₀ — это 3 бита двоичного входа. Когда B ₀ = 1, B ₁ и B ₂ = 0. Тогда эквивалентная схема будет:

Замена 1 ^st этап с его V _th & R _th ;

V _th = V _ref /2 & R _th = R

Теперь 2 ^nd stage V _{th & R 90 ;}

V _TH = V _REF /4 & R _TH = R

Теперь 3 ^RD Stage VTH & R _TH

V _TH = V _TH

V _{Т. Т.} = V _rek

V _{Т. Т. 8 и R -й = R}

Таким образом, выходное напряжение в этом случае будет равно

В _out = -V _th (R _f /R) = -(V _ref /8) (R/R ) = -(V _ref /8)

Когда B ₁ = 1, B ₀ и B ₂ = 0. Тогда эквивалентная схема будет;

Применяя тот же процесс, выходное напряжение будет

В _вых = -(В _ref /4)

Когда B ₂ = 1, B ₀ & B ₁ = 0. Тогда эквивалентная схема будет;

Применяя тот же процесс, выходное напряжение будет

В _out = -(V _ref /2)

Как мы знаем, выход операционного усилителя представляет собой сумму отдельных входов, где каждый бит is

V _out = -{ B ₀ (V _ref /8) + B ₁ (V _ref /4) + B ₂ (V _ref /2)}

V _из = – V _ref { B ₀ (1/8) + B ₁ (1/4) + B ₂ (1/2)}

2 V

_out = – V _ref { B ₀ (1/2 ³ ) + B ₁ (1/2 ² ) + B ₂ (5/3 1/2 1900)

Мы можем обобщить эту формулу для N-битного двоичного числа следующим образом;

В _вых = – В _ref {B ₀ (1/2 ^N ) + B ₁ (1/2 ^Н-1 ) + В ₂ (1/2 ^Н-2 ) +…+ В _Н-2 (1/2 ² ) + В _Н-1 (1/2 ¹ )}

Похожие сообщения:

•  Различные типы датчиков с приложениями
• Типы цифровых логических элементов — таблицы истинности булевой логики и приложения

Пример :

Преобразование двоичного числа 10110 в аналоговый выход, где v _ref = 12v

Количество битов N = 5

В _вых = – В _исх. {В ₀ (1/2 ^Н ) + В ₁ (1/2 ^Н-1 ) + В _{610 5/ 2 90 9054 N-2 ) +…+ B N-2 (1/2 ² ) + B N-1 (1/2 ¹ )}}

V _вых = – V _{ref 6 {В 0 (1/2 ⁵ ) + В 1 (1/2 ⁴ ) + В 2 (1/2 ³ ) + В 3 3 (1/2} ) + В ₄ (1/2 ¹ )}

В _вых = – (12) {(0)(1/2 ⁵ ) + (1)(1/2 ⁴ ) + (1)(1/2 ³ ) + (0)(1/2 ² ) + (1)(1/2 ¹ )}

В _из = – (12) {(1/2 ⁴ ) + (1/2 ³ ) + (1/2 ¹ )}

В _вых = – (12) {(1/16) + (1/8) + (1/2)}

В _вых = – 8,25 В

Преимущества R-2R Ladder DAC;

• Использует только два типа резисторов
• Легко масштабируется до любого количества битов
• Выходное сопротивление всегда R

Преобразование на основе ШИМ

Это еще один метод, используемый в цифро-аналоговых преобразователях, и микроконтроллеры, такие как Arduino, можно легко запрограммировать на использование функции ШИМ для создания аналогового выхода.

Широтно-импульсная модуляция или ШИМ — это метод изменения средней мощности сигнала путем изменения его рабочего цикла. Его обязанность — это % времени включения сигнала, % времени, в течение которого сигнал остается высоким. Например, сигнал рабочего цикла 40% означает, что он остается высоким в течение 40% времени и остается низким в течение 60%.

Мы можем использовать двоичное число для генерации сигнала такого типа, скважность которого зависит от двоичной цифры. Волна ШИМ фильтруется с помощью фильтра нижних частот для устранения колебаний и обеспечения плавного аналогового напряжения.

Используемый фильтр нижних частот может быть первого порядка. 2 Фильтр нижних частот ^{-го и} -го порядка был бы отличным выбором для цифро-аналогового преобразователя на основе ШИМ.

• Связанный пост: сумма произведения (SOP) и произведение суммы (POS)

Разрешение и размер шага цифро-аналогового преобразователя

Разрешение и размер шага ЦАП играют важную роль в точности аналогового вывода.

Разрешение ЦАП

Разрешение — это количество возможных выходных уровней, которые может воспроизвести ЦАП. Это зависит от количества входных битов.

Разрешение = 2 ⁿ

Разрешение n-битного ЦАП равно 2 ⁿ . Например, 4-битный ЦАП имеет разрешение 2 ⁴ или 16 выходных уровней.

Размер шага ЦАП

Размер шага ЦАП — это наименьшее изменение аналогового выхода и разница между двумя последовательными уровнями выходного напряжения.

Размер шага можно рассчитать, разделив диапазон (максимальное выходное напряжение) или V _ref на 2 ⁿ , где n — количество битов.

Размер шага = Диапазон / 2 ⁿ

Например, размер шага 4-битного ЦАП с диапазоном 5 В составляет;

Размер шага = 5/2 ⁴ = 5/16 = 0,3125 В

Размер шага этого ЦАП равен 0,3125. Таким образом, при приращении одного бита его аналоговый выход увеличится на 0,3125 по сравнению с

Увеличение разрешения ЦАП уменьшает размер шага и генерирует гладкую аналоговую волну с гораздо большей точностью.

Related Posts:

• Счетчик и различные типы электронных счетчиков
• Типы защелок – защелки SR и D

Применение DAC

Цифро-аналоговые преобразователи используются в различных приложениях для преобразования сигнала с цифровой обработкой в ​​аналоговый сигнал. Некоторые из различных приложений ЦАП приведены ниже;

Аудио:

Аудиосигнал является аналоговым по своей природе, но он преобразуется с помощью АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) в цифровой формат для редактирования и хранения на устройствах хранения в различных цифровых форматах, таких как mp3, wav и т. д. усилитель или звуковая карта в системе содержит ЦАП, который преобразует аудиосигнал, хранящийся в цифровом устройстве, в аналоговый сигнал. Сигнал может быть изменен усилителем путем изменения его усиления (громкости), низких, высоких частот и т. д., а затем преобразован в аналоговый сигнал, поскольку динамик не поддерживает цифровой сигнал.

Видео:

Цифровые видеоплееры используют ЦАП для воспроизведения любого цифрового видео на аналоговом мониторе. Эти видеоплееры преобразуют цифровой сигнал из исходного цифрового файла в аналоговый сигнал.

Цифровой видеоплеер имеет цифровые видеопорты, такие как DVI или HDMI. Но если у него есть аналоговые выходные порты (композитный порт желтого цвета), он содержит ЦАП, задачей которого является преобразование видеофайла в аналоговый сигнал.

Управление двигателем

Одним из наиболее важных компонентов управления двигателем с помощью цифрового устройства, такого как микроконтроллер, является ЦАП.

В различных проектах электроники двигатель встраивается в микроконтроллер. Микроконтроллер генерирует цифровой сигнал для изменения скорости двигателя, который преобразуется в аналоговый сигнал с помощью ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь) .

Related Posts:

• Модуляция – классификация и типы аналоговой модуляции
• Типы амплитудной модуляции с преимуществами и недостатками
• Типы методов модуляции, используемые в системах связи
• Твердотельное реле (ТТР) — Типы твердотельных реле — Конструкция и эксплуатация

URL скопирован

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) представляет собой интегральную схему, которая преобразует цифровой сигнал в аналоговое напряжение/ток, что необходимо для дальнейшей обработки аналогового сигнала. В этом посте подробно рассказывается о том, что такое цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), его типы, принцип работы, области применения, преимущества и недостатки.

Что такое плагин VST? Что они делают…

Пожалуйста, включите JavaScript

Что такое плагин VST? Что они делают и как их использовать

Что такое цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) в основном преобразует цифровой код, представляющий цифровое значение, в аналоговый ток или напряжение.

Рис. 1 – Знакомство с цифро-аналоговым преобразователем

В любой системе связи аналоговый сигнал в форме физических переменных преобразуется в цифровое значение с помощью АЦП. Этот цифровой сигнал преобразуется обратно в аналоговый сигнал для дальнейшей обработки, т. е. аналоговый сигнал необходим для управления двигателями, контроллером температуры и т. д.

На рис. 2 показана блок-схема схемы ЦАП, которая показывает n-битные цифровые входы, преобразованные в аналоговый сигнал. Цифровые входы D ₀ , D ₁ , D _N-2 , D _N-1 и V _A IS APTORG ANGOLTAGE.

Рис. 2 – Блок-схема цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

Типы цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)

Существует четыре основных типа схем цифро-аналогового преобразователя, а именно:

• Цепь цифро-аналогового преобразователя с двоичным взвешенным резистором
• Цепь цифро-аналогового преобразователя с двоичной лестничной диаграммой или лестничной цепочкой R–2R
• Сегментированный ЦАП
• ЦАП Delta-Sigma

Схема цифро-аналогового преобразователя с двоично-взвешенным резистором

В этом типе преобразователя для каждого цифрового входного бита, который необходимо преобразовать, требуется один резистор или источник тока. Эти резисторы подключены между входами и точкой суммирования. Выход генерируется через эту схему суммирующего усилителя. На рис. 3 ниже показана типичная схема преобразователя с двоично-взвешенными резисторами, состоящая из операционного усилителя, четырех резисторов, подключенных к входным клеммам операционного усилителя вместе с резистором обратной связи.

Эти резисторы на входной клемме называются переменными резисторами. Здесь A, B, C, D — цифровые входы, где «D» соответствует старшему разряду, а «А» — младшему разряду. V — выходное аналоговое напряжение. Выход схемы суммирующего усилителя задается уравнением:

Выходное напряжение получается путем подстановки различных значений входов в уравнение, как показано в таблице ниже:

Цепь взвешенного резистора

Цепь цифро-аналогового преобразователя с двоичной цепочкой или цепочкой R–2R

Этот тип преобразователя имеет только два номинала резисторов, R и 2R. Скорость преобразования снижается в этом типе ЦАП из-за паразитной емкости. Это самый простой тип ЦАП, в котором переключение между заземлением и инвертирующим входом операционного усилителя управляется входным битом.

На рис. 4 показан ЦАП бинарной релейной логики или релейной логики R–2R. Чтобы понять его работу, давайте рассмотрим только резисторы в сети, опуская операционный усилитель и предполагая, что вход равен DCBA = 1000. Теперь выход для сокращенной сети определяется как:0007

Аналогично, при изменении входных битов напряжение будет V/4, V/2, V/16…… и т. д. Теперь, добавив в схему операционный усилитель, V ₄ становится вход неинвертирующего усилителя, усиление которого определяется уравнением:

Следовательно, выходное напряжение ЦАП R–2R Ladder определяется уравнением:

Рис. Цепь лестничного преобразователя –2R

Сегментный ЦАП

Сегментированные ЦАП разработаны в соответствии со спецификациями, основанными на производительности. В таких случаях никакая архитектура не является идеальной, и поэтому два или более ЦАП объединяются и проектируются. Двоичный взвешенный ЦАП и ЦАП с термометрическим кодированием объединены. Входной двоичный код разделен на 2 сегмента.

Термометрическое кодирование используется для MSB, а двоично-взвешенная структура применяется для LSB. Это сделано для уменьшения размера чипа. Размер кодера растет экспоненциально с увеличением входных битов, и требуется больше переключателей и межсоединений.

Рис. 5 – Сегментированный ЦАП

Дельта-сигма ЦАП

Это самый быстрый и высокоточный ЦАП. На рис. 6 показан ЦАП Delta-Sigma, который состоит из различных блоков, а именно:

• Фильтр интерполяции
• Модулятор Delta-Sigma
• 1-битный ЦАП
• Фильтр аналогового вывода

Фильтр интерполяции

скорость и сокращает время и, таким образом, частота дискретизации увеличивается в четыре раза. Данные из фильтра являются входными данными для блока модулятора.

Дельта-сигма модулятор

Дельта-сигма модулятор действует как фильтр верхних частот для шума квантования и фильтр нижних частот для сигнала. Он преобразует данные в высокоскоростной битовый поток.

1-битный ЦАП

Цифровые образцы преобразуются обратно в аналоговую форму для дальнейшего усиления. Каждый бит выборки преобразуется последовательно.

Фильтр аналогового выхода

Выходной сигнал ЦАП отфильтровывается для получения аналогового сигнала.

Рис. 6. Цифро-аналоговый преобразователь Delta-Sigma

Как работает цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Чтобы понять принцип работы цифро-аналогового преобразователя, компьютер, записывающий звук через микрофон. Здесь речь или звуковой сигнал является физической переменной, и этот сигнал должен быть преобразован в цифровой формат. Это делается с помощью АЦП (аналого-цифрового преобразователя). Этот битовый поток обрабатывается методами цифровой обработки сигналов.

Если записанный звук должен воспроизводиться через динамики, то цифровой сигнал необходимо преобразовать обратно в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя. Рис. 7. Принцип работы ЦАП

Они также используются в цифровых источниках питания для микроконтроллеров.

ЦАП используются в цифровых потенциометрах.

Используются во всех цифровых системах сбора данных.

Преимущества Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Преимущества цифро-аналогового преобразователя:

Можно достичь высокого разрешения и точности. ЦАП

прост в реализации.

Недостатки  Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Недостатки ЦАП:

• Уровни напряжения должны быть одинаковыми для всех входов ЦАП с взвешенными резисторами. Например. Для 4-битного преобразователя требуется 4 резистора.