13. Цифро-аналоговые преобразователи. Структурная схема цап. Параллельная схема суммирования токов. Последовательная схема суммирования токов.

Микросхемы ЦАП классифицируются по следующим признакам:

По виду выходного сигнала	1. С токовым выходов (тогда используется преобразователь) 2. Выход в виде напряжения (обычно требуется)
По типу цифрового интерфейса	1. С последовательным вводом 2. С параллельным вводом (устарели)
По числу ЦАП на кристалле	1. Одноканальные 2. Многоканальные
По быстродействию	1. Стандартные 2. Высокого быстродействия

Структурная схема ЦАП (с суммированием токов)

U_ВЫХ = – I_ВХ*R_ОС

I_ВХ = d_0*I₀ + d_1*2I₀ + d_2*4I₀ + … + d_n*2ⁿ_*I₀ , где d₀, d₁, … , d_n – значение n-го разряда (0 или 1)

Схема: Имеем n-ое количество источников тока, каждый из которых соответствует текущему разряду. Каждый следующий, выдает ток, в 2 раза больше предыдущего (от разряда к разряду).

Далее ток суммируется и преобразуются в выходное напряжение (трансимпедансный усилитель)

d₀, d₁, … , d_n – состояния разрядов. «0» если ключ разомкнут, тогда источник тока не участвует в общей схеме. «1» если ключ замкнут, ток будет вносить вклад в общий.

Параллельная схема суммирования тока

Формулы написаны ниже, не приглядывайтесь на картинке

U_ВЫХ = – I_ВХ*R_ОС

I_ВХ = U_ОП * (d₀/R + d_1*2/R + d_2*4/R + … + d_n*2ⁿ/R)

Схема: Источник опорного напряжения и делитель напряжения. Каждое последующее сопротивление меньше предыдущего в 2 раза (от разряда к разряду.

Недостатки параллельной схемы:

• При высокой разрядности сопротивления резисторов должны быть согласованы с высокой точностью (нужно очень точно подбирать резисторы)

• Жесткие требования к резисторам старших разрядов, поскольку разброс тока в них не должен превышать тока младшего разряда

• Сопротивления весовых резисторов могут отличаться в тысячи раз, что затруднят реализацию таких резисторов на кристалле ИС

• Сопротивления резисторов старших разрядов могут быть соизмеримы с сопротивлением замкнутого ключа, что повышает погрешность

В зависимости от состояния ключей, ток, который берется из источника опорного напряжения будет разным, а это влияет на погрешность.

Чтобы избавиться от этих недостатков была предложена последовательная схема. В ЦАП, выполненных по интегральной технологии, в основном применяются резистивные матрицы R-2R.

R1 = R R2 = Rн = 2R RВХ = 2R= Rн Суть: эквивалентное сопротивление будет 2R, независимо от того, сколько звеньев в цепи (R1 – R2)

Последовательная схема суммирования тока

Схема: Источник опорного напряжения + матрица R-2R с заземлением + ключи. Преобразование тока в напряжение происходит с помощью резистора обратной связи.

Если в разряде «1», то ключ замкнут – подключен к общей шине I_Мвых

Если в разряде «0», то ключ разомкнут – подключен к общей шине I’_Мвых

U_ОП и I_ОП (суммарный ток, проходящий через источник опорного напряжения) сохраняются неизменным от положения ключей.

Погрешности:

1) Смещение нуля (ошибка смещения)

2) Нелинейность преобразования (дифференциальная нелинейность)

3) Немонотонность

4) Ошибки выхода с низким или высоким усилением

14. Аналого-цифровые преобразователи. АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП). АЦП последовательного приближения. Интегрирующие АЦП. Сигма-дельта АЦП. Схемы и принцип работы, основные преимущества и недостатки.

Преобразование аналогового сигнала (непрерывная функция во времени) в цифровой (последовательность цифровых кодов чисел) реализуется с помощью АЦП. U(t) → U^*(t_i)

Аналого-цифровое преобразование состоит из 2х самостоятельных операций: дискретизации во времени и квантовании по уровню

Формулы:

1) f_D = 1 / T_D – частота дискретизации

2) N = log₂(U_АЦП / U_К) – разрядность квантования, где U_АЦП – диапазон входного напряжения АЦП, U_К – шаг квантования

3) V = N * f_D [кбит/с] – скорость передачи информации (количество информации на 1 с записи)

Главные параметры АЦП определяются параметрами аналогового сигнала:

1. Определяем верхнюю граничную частоту и выбираем f_D (от этого зависит скорость преобразования)

2. Определяем минимальное значение напряжения и выбираем разрядность

3. Требования по числу каналов

4. Габариты и мощность

ВОПРОС ИЗ КР: две основные характеристики, по которым можно провести классификацию АЦП: разрешение и скорость преобразования

Классификация АЦП

По основным параметрам	Архитектура АЦП
1. Разрядность 2. Частота преобразования (скорость) 3. Точность преобразования	1. Параллельного преобразования 2. Последовательного приближения 3. Двухтактного интегрирования 4. Сигма-дельта АЦП

АЦП параллельного преобразования (схема и принцип работы, основные преимущества и недостатки)

Схема:

Принцип работы: Имеется матрица из компараторов в количестве 2n-1, где n – разряд На один вход подается аналоговый сигнал, на второй вход – опорное напряжение VREF. Это напряжение пропускается через делитель напряжения. На каждый из входов поступает своя часть напряжения в зависимости от текущего разряда. В зависимости от того, что поступает на вход компаратора, на выходе устанавливается: HIGH уровень – входное напряжение превышает опорное LOW уровень – входное напряжение ниже опорного Дешифратор собирает все данные и преобразовывает в n-битный цифровой код

+ Высокая скорость преобразования (т.к. сигнал поступает на все компараторы одновременно)

− Низкое разрешение (иначе нужно слишком много компараторов)

− Высокое энергопотребление (каждый компаратор потребляет ток)

# Применяются там, где не требуется аккумуляторного питания: осциллографы

АЦП последовательного приближения (схема и принцип работы, основные преимущества и недостатки)

Схема:

Принцип работы:

Входной аналоговый сигнал поступает на УВХ (устройство выборки-хранения), чтобы зафиксировать данные, так как преобразование занимает время и на выходе могут измениться значения.

Далее сигнал поступает на компаратор, второй вход которого подключен к ЦАП. Компаратор управляет регистром ПП (регистр последовательного приближения), который составляет основу этого АЦП. Код с регистра ПП поступает на N-битный ЦАП и напряжение ЦАПа сравнивается с входным.

Как происходит преобразование?

В начальным момент времени регистр ПП сброшен в ноль. Далее устаналивается «1» в самом старшем разряде при первом такте, это как раз приходится на половину опорного напряжения. Компаратор на выходе указывает больше или меньше напряжение входного сигнала, чем выход ЦАП (на первом такте это половина опорного напряжения).

Выход ЦАП > входного сигнала => выход компаратора LOW => сброс бита в регистре

Выход ЦАП < входного сигнала => выход компаратора HIGH => 1бит сохраняется в регистре

Так перебираются все разряды.

Это из лекции Тимохова (тут объяснено лучше, что происходит) [для прочтения]

	ЦАП: VOUT = 8 В для 23 бит (СЗР) VOUT = 4 В для 22 бит VOUT = 2 В для 21 бит VOUT = 1 В для 20 бит (МЗР) СЗР = 1: выходной сигнал ЦАП равен 8 В > входного сигнала 5,1 В => выходной сигнал компаратора LOW => СЗР в SAR сброшен до 0 22 бит = 1: выходной сигнал ЦАП равен 4 В < входного сигнала 5,1 В => выходной сигнал компаратора HIGH => 22 бит сохраняется в SAR
	21 бит = 1: выходной сигнал ЦАП 4+2=6 В > входного сигнала 5,1 В => выходной сигнал компаратора LOW => 21 бит в SAR сброшен до 0 20 бит = 1: выходной сигнал ЦАП 4+1=5 В < входного сигнала 5,1 В => выходной сигнал компаратора HIGH => 20 бит сохраняется в SAR Двоичный код в регистре 0101~ значению 5,1В.
		Алгоритм работы может быть объяснен на примере весов (ЭТО БЫЛО В ЛЕКЦИИ АНИСИМОВА)

+ Простая архитектура при высоком разрешении

− Требует N сравнений для достижения N-разрядного разрешения (снижает f_D и вызывает ограничение по скорости преобразования)

# Применяются во всех микроконтроллерах

Интегрирующие АЦП (схема и принцип работы, основные преимущества и недостатки)

Схема:

Принцип работы:

На интегратор через ключ подаем входной сигнал.

В начальный момент времени S1 замыкается и заряжается С, далее размыкаем S1 и замыкаем S2, тем самым обеспечиваем разряд конденсатора.

После интегратора идет компаратор для того, чтобы узнать когда С разрядится до нуля. Счетчик считает время за которое разрядится С. Результат будет преобразован в выходной код АЦП (сколько импульсов укладывается во время разрядки).

ГТИ задает работу всей схемы

• Время разрядки С будет зависеть от того, до какого уровня мы его заряжали.

• Выходной код ~ сколько импульсов укладывается во время разрядки С

+ подавление высокочастотного шума и фиксированных низких частот

(50/60 Гц) – из-за интегрирования

− низкая входная пропускная способность

− ограничение f_D

# применяются в измерительных приборах (мультиметры, вольтметры и прочее, там не нужна высокая частота дискретизации)

Сигма-дельта АЦП (схема и принцип работы, основные преимущества и недостатки)

Схема:

Принцип работы:

Входное напряжение суммируется с выходным сигналом ЦАП. Интегратор добавляет результат этого суммирования к значению, которое сохраняется с предыдущего шага.

Компаратор выдает «1» если выход интегратора больше нуля и «0» в противном случае.

1-битный ЦАП подает +V_REF, если на выходе компаратора «1» и – V_REF, если на выходе компаратора «0».

Работа зацикливается.

+ наибольшее разрешение

− медленные

[Как работает на примере, можно добавить в билет]