Terkadang sepertinya begitu dunia digital hampir sepenuhnya menyatu dengan yang asli. Namun meskipun munculnya sistem seperti “gigaFLOPS”, “22 nm” dan banyak lainnya, dunia nyata dengan keras kepala tetap analog dan bukan digital, dan kita masih harus bekerja dengan sistem kita. sistem digital, yang mana dunia modern hadir hampir di mana-mana.

Konverter digital-ke-analog DAC mengubah input sinyal digital pada akhir pekan analog. Definisi "akurasi" mungkin berbeda-beda (tergantung pabrikannya), namun kami akan menjelaskan konverter digital-ke-analog dengan resolusi dari 8 hingga 16 bit dan kecepatan hingga 10 MSamples/s. Konverter digital-ke-analog (DAC) ini digunakan di berbagai sistem– perlengkapan audio dan video, kontrol prosesor, alat ukur, sistem otomasi, sistem penggerak listrik dan banyak lainnya. Setiap sistem terpisah Ada persyaratan tersendiri untuk DAC, misalnya resolusi, karakteristik statis dan dinamis, konsumsi daya, dan lain-lain.

Dalam parameter dan deskripsi teknis menentukan kesalahan offset, non-linearitas diferensial (DNL), non-linearitas integral (INL) dan parameter lain yang diperlukan untuk memastikan kinerja yang baik dalam sistem DC, misalnya, seperti mengendalikan penggerak listrik atau beberapa proses teknologi.

Beberapa aplikasi, seperti pembangkitan sinyal tampilan, menekankan perlunya kinerja AC yang baik, yang ditentukan dalam lembar data dalam hal jeda waktu, kebisingan, dan bandwidth. Membuat perangkat sendiri menggunakan DAC jauh lebih sulit daripada memilih konverter digital-ke-analog dari katalog, karena selain DAC, sistem akan menyertakan lebih banyak lagi komponen elektronik, pengaruhnya juga harus diperhitungkan. Di bawah ini kami akan mencoba mempertimbangkannya.
Isi:

Tiga Arsitektur Dasar untuk DAC Presisi

Saat memilih keakuratan konverter D/A untuk sistem Anda, spesifikasi DAC harus sesuai dengan persyaratan sistem. Dibandingkan dengan banyaknya arsitektur konverter analog-ke-digital ADC Memilih konverter D/A mungkin tampak seperti tugas yang mudah karena hanya ada tiga arsitektur utama untuk DAC. Namun hal ini sepertinya hanya tugas yang mudah, karena perbedaan performa masing-masing arsitektur cukup signifikan.

DAC menggunakan tiga arsitektur utama - string (serial), R-2R, Multiply DAC (MDAC).

Konverter string digital-ke-analog

Konsep di balik konverter string digital-ke-analog berasal dari Lord Kelvin pada pertengahan tahun 1800-an:

Decoder input memiliki beberapa switch, satu untuk setiap kombinasi bit. Setiap masukan digital dihubungkan ke penguat tegangan keluaran yang sesuai.

N bit DAC terdiri dari rangkaian 2 N resistor yang cocok, serta sumber tegangan di satu ujung, dan ground di ujung lainnya. DAC tiga-bit (gambar di atas) memerlukan delapan resistor dan tujuh sakelar, tetapi jumlah ini bertambah seiring bertambahnya kedalaman bit dan untuk DAC 16-bit Anda sudah memerlukan 65536 resistor!!! Jumlah ini sangat besar, bahkan untuk sistem modern. Untuk mengurangi jumlah resistor, digunakan penguat interpolasi dan tap ke masing-masing resistor.

Konverter string atau serial digital-ke-analog cukup cocok untuk sebagian besar aplikasi presisi seperti sistem kontrol gerak kontrol otomatis(dalam servos dan saat mengendalikan penggerak listrik).

Tegangan keluaran DAC string pada awalnya monoton dengan non-linearitas diferensial (DNL) yang baik, tetapi non-linearitas integral (INL) tidak terlalu baik, karena secara langsung bergantung pada kesalahan resistor. Dari sudut pandang sistem AC string DAC menunjukkan lebih banyak produktivitas rendah dibandingkan dengan arsitektur lain, karena memiliki cukup banyak tingkat tinggi kebisingan, yang disebabkan oleh besar impedansi resistor, dan struktur peralihan menyebabkan pemrosesan sinyal melambat selama transisi, sehingga membatasi kecepatan pembaruan.

Arsitektur R-2R

Arsitektur ini adalah yang paling umum di antara konverter digital-ke-analog dan diagramnya ditunjukkan di bawah ini:

Arsitektur ini hanya menggunakan resistor dengan dua resistansi berbeda, rasio antara keduanya didefinisikan sebagai 2 banding 1.

Ketika bit tertentu diset, resistor 2R yang bersangkutan berpindah ke posisi V REF - H, in jika tidak diset pada posisi V REF - L (ground). Hasilnya kita dapatkan tegangan keluaran, yang merupakan jumlah semua tegangan tangga 2R.

Arsitektur R-2R sangat cocok untuk digunakan dalam instalasi dan perangkat industri. Konverter ini lebih akurat dibandingkan konverter string D/A, memiliki tingkat kebisingan yang lebih rendah karena resistansi yang dihasilkan lebih kecil, dan memiliki kinerja INL dan DNL yang lebih baik.

Konversi sinyal pada konverter dengan arsitektur R-2R melibatkan peralihan pin 2R antara V REF - H dan V REF - L. Resistor dan sakelar internal di dalam perangkat tidak sejajar dengan sempurna, yang dapat menyebabkan gangguan tertentu dalam proses peralihan.

Mengalikan MDAC konverter digital-ke-analog

Konverter pengganda MDAC juga menggunakan arsitektur R-2R, tetapi dengan tegangan referensi V REF. Diagram di bawah ini:

Ketika bit disetel, resistor 2R yang sesuai dihubungkan ke ground virtual - op-amp penjumlahan. Oleh karena itu, penggandaan konverter digital-ke-analog tidak menghasilkan tegangan, melainkan arus, sedangkan tegangan referensi V REF dapat melebihi tegangan nominal atau sepenuhnya negatif.

Sumber V REF “terlihat” di MDAC resistensi konstan, sama dengan R, oleh karena itu memiliki arus keluaran yang konstan, yang meningkatkan produktivitas selama transisi cepat, karena tidak perlu menunggu hingga nilainya dipulihkan tegangan referensi. Tergantung pada kode digitalnya, aliran arus dibagi menjadi kontak keluaran dan kontak ground. Ini berarti impedansi keluaran akan berbeda, sehingga membuat pemilihan op amp eksternal agak sulit.

Untuk meningkatkan kinerja, keluaran MDAC disertakan sebagai masukan sebuah resistor internal dengan respon termal kira-kira sesuai dengan resistor internal panggung. Kebisingan internal dari konverter digital-ke-analog yang berlipat ganda berasal dari resistansi tahap dan resistansi umpan balik. Karena impedansi keluaran bergantung pada kode, penguatan kebisingan juga bergantung padanya, meskipun tingkat kebisingan MDAC jauh lebih rendah daripada DAC serial (string). Perlu dicatat bahwa op-amp penguat operasional eksternal dapat digunakan tingkat rendah kebisingan

Salah satu kelemahannya adalah itu sinyal masukan adalah kebalikan dari keluaran, yang pada gilirannya memerlukan operasi inversi tambahan.

Memahami Parameter Kinerja AC

Untuk menerima kinerja maksimal Saat mengoperasikan konverter digital-ke-analog pada arus bolak-balik, Anda juga perlu memahami seluk-beluk tertentu langkah-langkah yang mungkin, yang dapat dilakukan untuk optimasi.

Waktu yang dibutuhkan sebuah op-amp untuk mencapai nilai akhirnya merupakan salah satu indikator utama kualitas DAC. Waktu respons konverter digital-ke-analog ditunjukkan di bawah ini:

• Waktu mati ( Waktu mati): ini adalah waktu yang diperlukan untuk mencapai 10% dari nilai keluaran yang dibutuhkan sinyal analog, dimulai dari saat kapan kode digital dimasukkan ke dalam konverter digital-ke-analog;
• Waktu kenaikan keluaran ( Waktu yang habis): waktu yang dibutuhkan sinyal keluaran analog untuk meningkat dari 10% menjadi 90%;
• Waktu pemulihan dan penyelesaian ( Waktu pemulihan waktu penyelesaian linier): overshoot dan pembentukan sinyal analog dengan bentuk tertentu;

Setelah sinyal keluaran analog berada dalam jangkauan kesalahan yang dapat diterima proses dianggap selesai meskipun sinyal masih berfluktuasi tetapi tidak melebihi batas kesalahan yang dapat diterima.

Ditampilkan di bawah proses transisi konverter digital-ke-analog 18-bit, saluran tunggal, R-2R asli DAC988:

Waktu penyelesaian sinyal diukur dari saat sinyal LDAC menjadi rendah, setelah itu transien sistem dimulai. Perlu diketahui bahwa proses peluruhan sinyal adalah yang paling lama, dengan proses pemulihan yang lama dan pengaruh sinyal statis yang tidak signifikan terhadapnya.

Peralihan kesalahan

Perubahan ideal pada sinyal keluaran DAC adalah kenaikan atau penurunan yang monoton, namun kenyataannya tidak demikian, dan perubahan sinyal terjadi secara tiba-tiba. Berbeda dengan waktu penyelesaian, kesalahan peralihan disebabkan oleh ketidaksesuaian peralihan internal (faktor dominan), atau oleh kopling kapasitif antara sinyal masukan digital dan keluaran analog:

Kesalahan ditandai dengan area di bawah pulsa palsu positif dan negatif dan diukur dalam volt-detik (paling sering dalam µV∙s atau nV∙s).

Ketika jumlah saklar paralel bertambah, kesalahan juga meningkat. Inilah salah satu kelemahan arsitektur R-2R. Kesalahan dalam arsitektur R-2R paling terlihat saat mengubah semua bit atau saat mengganti bit paling signifikan, saat beralih dari 0x7FFF ke 0x8000 (untuk DAC 16-bit).

Jika Anda mengurangi jumlah peralihan resistor seri tidak memungkinkan, maka digunakan pada output konverter, rangkaiannya ditunjukkan di bawah ini:

Gambar a) menunjukkan filter RC paling sederhana, yang dipasang pada keluaran dan memungkinkan Anda sedikit mengurangi tingkat amplitudo kesalahan keluaran, namun dengan demikian menunda laju kenaikan sinyal, sehingga meningkatkan jeda waktu. Gambar b) menunjukkan opsi dengan menambahkan sampel dan menahan rangkaian. Ya, ini memungkinkan Anda mengurangi kesalahan hingga hampir nol, tetapi sangat sulit untuk menerapkan skema seperti itu, karena skema ini memberlakukan persyaratan ketat pada waktu respons, serta sinkronisasi ketat dengan kecepatan refresh DAC.

Sumber kebisingan

Kebisingan adalah salah satunya komponen penting kinerja konverter digital-ke-analog AC modern. Ada tiga sumber utama kebisingan - jaringan resistor internal, amplifier internal dan eksternal, dan sumber tegangan referensi. Pengaruh resistor internal pada derau konverter telah dibahas sebelumnya di artikel ini, jadi mari kita lihat dua sumber derau lainnya.

Kebisingan op amp eksternal

Output amplifier DAC adalah sumber kebisingan lainnya. MDAC menggunakan op-amp eksternal, tetapi arsitektur lain menggunakan op-amp internal, yang mempengaruhi koefisien keseluruhan kebisingan keluaran.

Kebisingan di sirkuit penguat operasional mempunyai tiga komponen utama:

• 1/f kebisingan atau kebisingan kedipan;
• Kebisingan tegangan broadband atau kebisingan putih;
• Kebisingan tegangan dan arus pada resistor;

Dua yang pertama dianggap sebagai properti internal op-amp itu sendiri, dan bandwidthnya dibatasi oleh konverter D/A itu sendiri, sehingga sangat mengurangi dampak noise pita lebar. Untuk kinerja yang lebih baik Pada AC, Anda harus memperhatikan op-amp dengan noise 1/f yang rendah.

Kebisingan dari tegangan referensi eksternal V REF

Kebisingan keluaran DAC secara langsung bergantung pada kebisingan pada tegangan referensi, yang dapat bersifat eksternal atau internal. Untuk memastikan kinerja maksimal dan tingkat minimal kebisingan, perlu menggunakan sumber tegangan referensi berkualitas tinggi. Ada banyak pilihan referensi voltase dari beberapa produsen.

Kesimpulan

Mendapatkan kinerja AC maksimal dari DAC presisi adalah kombinasi pemahaman karakteristik teknis, memilih arsitektur yang tepat dan menambahkan komponen eksternal yang tepat, dan, tentu saja, mengikuti teknik yang telah terbukti dalam memilih dan mengukur komponen elektronik.

Konverter digital-ke-analog(DAC) – perangkat yang mengubah sinyal input digital (kode) menjadi analog.

DAC banyak digunakan jika diperlukan informasi digital dikeluarkan oleh komputer, kelola perangkat analog, misalnya, untuk melakukan pergerakan katup sebanding dengan nilai perhitungan sinyal digital. DAC digunakan untuk mencocokkan komputer (CU) dengan perangkat analog, sebagai ADC internal dan node digital alat ukur. Sebagai bagian dari konverter analog-ke-digital, DAC digunakan untuk menghasilkan sinyal analog (arus atau tegangan), yang dengannya sinyal yang dikonversi dibandingkan.

Ciri utama DAC adalah resolusinya, ditentukan oleh jumlah bit N. Secara teoritis, DAC yang mengkonversi N-sedikit kode biner, harus menyediakan 2 N arti yang berbeda sinyal keluaran dengan resolusi (2 N– 1)-1. Nilai absolut kuantum tegangan keluaran minimum ditentukan sebagai angka maksimum yang diterima 2 N– 1, dan tegangan keluaran maksimum DAC, disebut tegangan skala kamu sekolah Jadi, dengan 12 bit, jumlah kuanta (langkah) independen dari tegangan keluaran DAC adalah 212 – 1 = 0,0245%. Tegangan skala yang dipilih referensi kamu shk = 10B, dibagi dengan jumlah kuanta ini, menghasilkan resolusi absolut DAC

D X = kamu shk/(2 N– 1) = 103 mV/ (212 – 1) = 2,45 mV.

Karakteristik konversi(HP)DAC– kumpulan nilai besaran analog keluaran xi tergantung pada kode masukan b Saya.

Karakteristik konversi (atau karakteristik transfer) DAC ditunjukkan pada Gambar. 3.15.

Beras. 3.15. Karakteristik transfer DAC; A– linearitas; B– nonlinier; C– non-monotonisitas; D– sinyal keluaran; E– garis lurus yang menghubungkan nilai ideal level sinyal keluaran; dпш – kesalahan skala penuh

Perbedaan antara nilai resolusi sebenarnya dan teoritis disebabkan oleh kesalahan node dan noise DAC. Keakuratan DAC ditentukan oleh nilai kesalahan absolut perangkat, nonlinier dan nonlinier diferensial.

Kesalahan absolut dshk mewakili penyimpangan nilai tegangan keluaran (arus) dari nilai nominal yang dihitung sesuai dengan titik akhir karakteristik konversi (lihat Gambar 3.15). Kesalahan absolut biasanya diukur dalam satuan angka paling signifikan (LSB).

Nonlinier dl mencirikan identitas kenaikan minimum sinyal keluaran pada seluruh rentang konversi dan didefinisikan sebagai deviasi terbesar sinyal keluaran dari garis lurus presisi mutlak, ditarik melalui nol dan titik nilai maksimum sinyal keluaran. Nilai nonlinier tidak boleh melebihi ±0,5 unit MZ.

Nonlinier diferensial dl.dif mencirikan identitas peningkatan sinyal yang berdekatan. Ini didefinisikan sebagai perbedaan minimum dalam kesalahan nonlinier dari dua kuanta yang berdekatan dalam sinyal keluaran. Nilai nonlinier diferensial tidak boleh melebihi dua kali nilai kesalahan nonlinier. Jika nilai dl.dif lebih besar dari satu MZR, maka konverter dianggap non-monotonik, yaitu. pada keluarannya, sinyal keluaran tidak dapat meningkat secara seragam dengan peningkatan seragam pada kode masukan.

Non-monotonisitas dalam beberapa kuanta mengakibatkan penurunan sinyal keluaran seiring dengan bertambahnya kode masukan.

Kesalahan perangkat keras, yang ditentukan oleh ketidakstabilan sumber tegangan referensi, kesalahan sakelar, matriks resistif, dan penguat operasional keluaran, disebut kesalahan instrumental. Faktor utama penyebab kesalahan elemen adalah: variasi teknologi dalam parameter; dampak perubahan lingkungan(terutama suhu); perubahan parameter seiring waktu (penuaan); paparan kebisingan dan interferensi eksternal dan internal.

Semua kesalahan instrumental terutama muncul dalam jenis berikut:

a) offset nol, yang mencirikan pergeseran paralel karakteristik transfer DAC dari garis lurus rata-rata (disebabkan oleh tegangan offset nol dan arus input op-amp bukan nol, serta parameter sisa sakelar) ;

b) perubahan koefisien transmisi, yang mencirikan penyimpangan kemiringan karakteristik transmisi nyata dari garis lurus rata-rata;

c) penyimpangan karakteristik transfer konverter dari garis lurus ideal (nonlinier konversi tersebut memanifestasikan dirinya sebagai peningkatan yang tidak identik dalam sinyal keluaran sebagai fungsi dari kode masukan).

Karakteristik dinamis DAC mencakup parameter waktu dan frekuensi konversi maksimum.

Parameter waktu menentukan kecepatan konverter. Ada tiga parameter waktu: langkah kuantisasi (periode) D T, waktu konversi (waktu penyelesaian sinyal keluaran) T pr, durasi siklus konversi T C.

Langkah kuantisasi (periode) D T– interval waktu antara dua transformasi yang berurutan. Nilai kebalikan dari periode kuantisasi 1/D T = F kV disebut frekuensi kuantisasi.

Waktu pengaturan keluaran DAC T pr – waktu dari saat kode berubah pada input DAC hingga saat nilai nilai analog keluaran berbeda dari nilai yang ditetapkan dengan nilai tertentu (Gbr. 3.16).

Beras. 3.16. Definisi waktu T pr konversi DAC

Waktu siklus konversi T ts – waktu antara saat penyerahan kode masukan dan penerbitan sinyal analog keluaran ( T ts = T pr). Hal ini ditentukan terutama oleh siklogram dan diagram waktu yang menggambarkan pengoperasian perangkat dan sistem informasi dan komputasi dengan konverter yang ada.

Frekuensi maksimum transformasi – frekuensi tertinggi pengambilan sampel, yang sesuai dengan parameter DAC nilai-nilai yang diberikan.

Pengoperasian DAC sering kali disertai dengan pulsa transien tertentu, yang merupakan puncak tajam dengan amplitudo besar pada sinyal keluaran, yang timbul karena perbedaan waktu buka dan tutup sakelar analog di DAC. Pencilan terutama terlihat ketika, alih-alih menggunakan angka nol pada digit paling signifikan dan angka nol pada digit kode paling rendah, sebuah unit memasukkan digit paling signifikan (MSB) dan kodenya adalah “semua nol” di LSB. Misalnya, jika kode masukan 011...111 diganti dengan kode 10...000, dan kunci DAC yang lebih tinggi terbuka lebih lambat daripada kunci yang lebih rendah ditutup, maka sinyal keluaran akan meningkat hanya satu kuantum dapat disertai dengan pulsa dengan amplitudo 0,5 kamu sekolah Durasi puncak ini akan sesuai dengan penundaan dalam mengubah status tombol.

Saat ini, tergantung pada nilai parameter, DAC presisi dan kecepatan tinggi dibedakan. DAC presisi memiliki dl = 0,1%, dan DAC berkecepatan tinggi T mulut = 100ns.