อธิบายตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก (DAC), อนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC)

ถึง ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก ( Dacian , D / A , D2A , หรือ D-to-A ) เป็นวงจรที่ออกแบบมาเพื่อแปลงสัญญาณอินพุตดิจิทัลเป็นสัญญาณเอาต์พุตแบบอะนาล็อก ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) จะทำงานในทางตรงกันข้ามและแปลงสัญญาณอินพุตแบบอะนาล็อกเป็นเอาต์พุตดิจิทัล

ในบทความนี้เราจะอธิบายอย่างละเอียดถึงวิธีการทำงานของวงจรแปลงสัญญาณดิจิทัลเป็นอนาล็อกและอนาล็อกเป็นดิจิทัลโดยใช้ไดอะแกรมและสูตร

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เราอาจพบว่าแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าแปรผันอย่างต่อเนื่องตามช่วงและขนาดที่แตกต่างกัน

ในวงจรดิจิทัลสัญญาณแรงดันไฟฟ้าอยู่ในสองรูปแบบไม่ว่าจะเป็นระดับลอจิกลอจิกสูงหรือลอจิกลอจิกต่ำซึ่งแสดงค่าไบนารีเป็น 1 หรือ 0

ในตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) สัญญาณอนาล็อกอินพุตจะแสดงเป็นขนาดดิจิทัลในขณะที่ตัวแปลงดิจิทัล - อนาล็อก (DAC) จะแปลงขนาดดิจิทัลกลับเป็นสัญญาณแอนะล็อก

ตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อกทำงานอย่างไร

กระบวนการแปลงดิจิทัลเป็นอนาล็อกสามารถทำได้โดยใช้เทคนิคต่างๆมากมาย

วิธีการหนึ่งที่รู้จักกันดีใช้เครือข่ายตัวต้านทานที่เรียกว่าเครือข่ายแลดเดอร์

เครือข่ายแลดเดอร์ได้รับการออกแบบมาเพื่อรับอินพุตที่เกี่ยวข้องกับค่าไบนารีโดยทั่วไปจะอยู่ที่ 0 V หรือ Vref และให้แรงดันเอาต์พุตที่เทียบเท่ากับขนาดของอินพุตไบนารี

รูปด้านล่างแสดงเครือข่ายแลดเดอร์ที่ใช้แรงดันไฟฟ้าอินพุต 4 ตัวซึ่งแสดงข้อมูลดิจิทัล 4 บิตและเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง

แรงดันขาออกเป็นสัดส่วนกับค่าอินพุตดิจิตอลตามที่แสดงโดยสมการ:

การแก้ตัวอย่างข้างต้นเราได้รับแรงดันขาออกดังต่อไปนี้:

อย่างที่เราเห็นอินพุตดิจิตอล 0110_สองถูกแปลงเป็นเอาต์พุตอนาล็อก 6 V.

จุดประสงค์ของเครือข่ายแลดเดอร์คือการเปลี่ยนขนาดไบนารี 16 ที่มีศักยภาพ
ผ่าน 0000 ถึง 1111 เป็นหนึ่งในปริมาณแรงดันไฟฟ้า 16 ในช่วงเวลาของ V_{อ้างอิง}/ 16.

ดังนั้นจึงอาจเป็นไปได้ที่จะประมวลผลอินพุตไบนารีเพิ่มเติมโดยรวมหน่วยบันไดจำนวนมากขึ้นและเพื่อให้ได้ปริมาณที่สูงขึ้นสำหรับแต่ละขั้นตอน

ความหมายสมมติว่าถ้าเราใช้เครือข่าย 10 ขั้นบันไดจะอนุญาตให้ใช้เพื่อเพิ่มปริมาณขั้นตอนแรงดันไฟฟ้าหรือความละเอียดเป็น V_{อ้างอิง}/สอง¹⁰หรือ V_{อ้างอิง}/ 1024. ในกรณีนี้ถ้าเราใช้แรงดันอ้างอิง V_{อ้างอิง}= 10 V จะสร้างแรงดันเอาต์พุตขั้นละ 10 V / 1024 หรือที่ประมาณ 10 mV

ดังนั้นการเพิ่มจำนวนขั้นบันไดมากขึ้นจะทำให้เรามีความละเอียดที่สูงขึ้นตามสัดส่วน

โดยทั่วไปสำหรับ n จำนวนขั้นบันไดซึ่งสามารถแสดงผ่านสูตรต่อไปนี้:

วี_{อ้างอิง}/ สองⁿ

แผนภาพบล็อก DAC

รูปด้านล่างแสดงแผนภาพบล็อกของ DAC มาตรฐานโดยใช้เครือข่ายแลดเดอร์ซึ่งอ้างถึงเป็นบันได R-2R สิ่งนี้สามารถเห็นได้ว่าถูกล็อกระหว่างแหล่งกระแสอ้างอิงและสวิตช์ปัจจุบัน

สวิตช์ปัจจุบันเชื่อมโยงกับสวิตช์ไบนารีทำให้กระแสเอาต์พุตเป็นสัดส่วนกับค่าไบนารีอินพุต

อินพุตไบนารีจะสลับขาของบันไดตามลำดับทำให้กระแสเอาต์พุตซึ่งเป็นผลรวมถ่วงน้ำหนักของการอ้างอิงปัจจุบัน

หากจำเป็นคุณสามารถต่อตัวต้านทานกับเอาต์พุตเพื่อตีความผลลัพธ์เป็นเอาต์พุตแบบอะนาล็อก

ตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอลทำงานอย่างไร

จนถึงตอนนี้เราได้พูดถึงวิธีการแปลงสัญญาณดิจิทัลเป็นอนาล็อกแล้วตอนนี้เรามาเรียนรู้วิธีการทำสิ่งที่ตรงกันข้ามนั่นคือการแปลงสัญญาณแอนะล็อกเป็นสัญญาณดิจิทัล สิ่งนี้สามารถทำได้โดยใช้วิธีการที่รู้จักกันดีที่เรียกว่า วิธีลาดชันคู่ .

รูปต่อไปนี้แสดงแผนภาพบล็อกสำหรับตัวแปลง ADC แบบลาดคู่มาตรฐาน

ที่นี่ใช้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์เพื่อถ่ายโอนสัญญาณอินพุตแบบอะนาล็อกที่ต้องการไปยังตัวรวมหรือที่เรียกว่าเครื่องกำเนิดทางลาด เครื่องกำเนิดทางลาดนี้อาจอยู่ในรูปของตัวเก็บประจุที่ชาร์จด้วยกระแสคงที่เพื่อสร้างทางลาดเชิงเส้น สิ่งนี้ก่อให้เกิดการแปลงดิจิทัลที่ต้องการผ่านขั้นตอนการตอบโต้ที่ใช้ได้กับช่วงความชันทั้งบวกและลบของตัวรวม

วิธีนี้อาจเข้าใจได้ด้วยคำอธิบายต่อไปนี้:

ช่วงการวัดเต็มของตัวนับจะกำหนดช่วงเวลาที่แน่นอน สำหรับช่วงเวลานี้แรงดันอนาล็อกอินพุตที่ใช้กับอินทิเกรเตอร์จะทำให้แรงดันไฟฟ้าอินพุตของตัวเปรียบเทียบเพิ่มขึ้นถึงระดับบวก

การอ้างถึงส่วน (b) ของแผนภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้าจากอินทิเกรเตอร์เมื่อสิ้นสุดช่วงเวลาคงที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่มีขนาดใหญ่กว่า

เมื่อช่วงเวลาที่กำหนดสิ้นสุดลงการนับจะถูกตั้งค่าเป็น 0 ซึ่งจะแจ้งให้สวิตช์อิเล็กทรอนิกส์เชื่อมต่อตัวรวมเข้ากับระดับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าอ้างอิงคงที่ หลังจากนี้เอาต์พุตของอินทิเกรเตอร์ซึ่งเป็นอินพุตของตัวเก็บประจุจะเริ่มลดลงในอัตราคงที่

ในช่วงเวลานี้ตัวนับจะก้าวหน้าไปเรื่อย ๆ ในขณะที่เอาต์พุตของอินทิเกรเตอร์ยังคงลดลงในอัตราคงที่จนกว่าจะต่ำกว่าแรงดันอ้างอิงของตัวเปรียบเทียบ สิ่งนี้ทำให้เอาต์พุตตัวเปรียบเทียบเปลี่ยนสถานะและทริกเกอร์สเตจตรรกะการควบคุมเพื่อหยุดการนับ

ขนาดดิจิตอลที่เก็บไว้ภายในตัวนับจะกลายเป็นเอาต์พุตดิจิตอลของตัวแปลง

การใช้นาฬิกาทั่วไปและระยะอินทิเกรเตอร์ระหว่างช่วงความชันทั้งบวกและลบจะเพิ่มการชดเชยบางประเภทสำหรับการควบคุมการดริฟท์ของความถี่นาฬิกาและขีดจำกัดความแม่นยำของตัวรวม

อาจเป็นไปได้ที่จะปรับขนาดเอาต์พุตตัวนับตามความต้องการของผู้ใช้โดยการตั้งค่าอินพุตอ้างอิงและอัตรานาฬิกาให้เหมาะสม เราสามารถมีตัวนับเป็นไบนารี BCD หรือในรูปแบบดิจิทัลอื่น ๆ ได้หากจำเป็น

การใช้ Ladder Network

วิธีเครือข่ายแลดเดอร์โดยใช้ขั้นตอนตัวนับและตัวเปรียบเทียบเป็นอีกวิธีที่ดีในการใช้การแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล ในวิธีนี้ตัวนับจะเริ่มนับจากศูนย์ซึ่งขับเคลื่อนเครือข่ายแลดเดอร์โดยสร้างแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นทีละก้าวคล้ายกับบันได (ดูรูปด้านล่าง)

กระบวนการนี้ช่วยให้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นในแต่ละขั้นตอนการนับ

เครื่องเปรียบเทียบจะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าขั้นบันไดที่เพิ่มขึ้นนี้และเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าอินพุตแบบอะนาล็อก ทันทีที่เครื่องเปรียบเทียบตรวจจับแรงดันไฟฟ้าขั้นบันไดที่อยู่เหนืออินพุตอะนาล็อกเอาต์พุตจะแจ้งให้หยุดการนับ

ค่าตัวนับ ณ จุดนี้จะกลายเป็นค่าดิจิตอลที่เทียบเท่ากับสัญญาณแอนะล็อก

ระดับของการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากขั้นตอนของสัญญาณบันไดจะถูกกำหนดโดยจำนวนบิตนับที่ใช้

ตัวอย่างเช่นตัวนับ 12 ขั้นตอนที่ใช้การอ้างอิง 10 V จะใช้งานเครือข่ายบันได 10 ขั้นพร้อมแรงดันไฟฟ้าขั้นตอนที่:

วี_{อ้างอิง}/สอง¹²= 10 V / 4096 = 2.4 mV

สิ่งนี้จะสร้างความละเอียดการแปลง 2.4 mV เวลาที่จำเป็นสำหรับการดำเนินการแปลงจะถูกกำหนดโดยอัตรานาฬิกาของตัวนับ

หากใช้อัตราสัญญาณนาฬิกา 1 MHz สำหรับการทำงานของตัวนับ 12 สเตจเวลาสูงสุดที่ใช้สำหรับการแปลงจะเป็น:

4096 x 1 μs = 4096 μs≈ 4.1 ms

จำนวนการแปลงน้อยที่สุดที่อาจเป็นไปได้ต่อวินาทีสามารถพบได้ดังนี้:

ไม่. ของ Conversion = 1 / 4.1 ms ≈ 244 Conversion / วินาที

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อกระบวนการแปลง

เมื่อพิจารณาว่า Conversion บางรายการอาจเรียกร้องให้สูงขึ้นและบางรายการอาจต้องการเวลาในการนับที่ต่ำกว่าโดยทั่วไปแล้ว Conversion เวลา = 4.1ms / 2 = 2.05 มิลลิวินาทีอาจเป็นค่าที่ดี

ซึ่งจะทำให้เกิด Conversion 2 x 244 = 488 โดยเฉลี่ย

อัตรานาฬิกาที่ช้าลงจะหมายถึงการแปลงต่อวินาทีน้อยลง

ตัวแปลงที่ทำงานกับจำนวนขั้นตอนการนับที่ต่ำกว่า (ความละเอียดต่ำ) จะมีอัตราการแปลงที่สูงกว่า

ความแม่นยำของคอนเวอร์เตอร์พิจารณาจากความแม่นยำของตัวเปรียบเทียบ