Γιατί χρειαζόμαστε μετατροπείς δεδομένων; Στον πραγματικό κόσμο, τα περισσότερα δεδομένα είναι διαθέσιμα με τη μορφή αναλογικού χαρακτήρα. Έχουμε δύο τύπους μετατροπέων αναλογικός προς ψηφιακός μετατροπέας και ψηφιακός σε αναλογικός μετατροπέας. Κατά τον χειρισμό των δεδομένων, αυτές οι δύο διεπαφές μετατροπής είναι απαραίτητες για τον ψηφιακό ηλεκτρονικό εξοπλισμό και μια αναλογική ηλεκτρική συσκευή που θα υποβληθεί σε επεξεργασία από έναν επεξεργαστή προκειμένου να παράγει την απαιτούμενη λειτουργία.
Για παράδειγμα, πάρτε την παρακάτω εικόνα DSP, ένα ADC μετατρέπει τα αναλογικά δεδομένα που συλλέγονται από τον εξοπλισμό εισόδου ήχου, όπως ένα μικρόφωνο (αισθητήρας), σε ένα ψηφιακό σήμα που μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία από έναν υπολογιστή. Ο υπολογιστής μπορεί να προσθέσει ηχητικά εφέ. Τώρα ένα DAC θα επεξεργαστεί το ψηφιακό σήμα ήχου στο αναλογικό σήμα που χρησιμοποιείται από εξοπλισμό εξόδου ήχου, όπως ένα ηχείο.
Επεξεργασία σήματος ήχου
Ψηφιακός σε αναλογικός μετατροπέας (DAC)
Το Digital to Analog Converter (DAC) είναι μια συσκευή που μετατρέπει τα ψηφιακά δεδομένα σε αναλογικό σήμα. Σύμφωνα με το θεώρημα δειγματοληψίας Nyquist-Shannon, τυχόν δεδομένα δειγματοληψίας μπορούν να ανακατασκευαστούν τέλεια με κριτήρια εύρους ζώνης και Nyquist.
Ένα DAC μπορεί να ανακατασκευάσει δεδομένα δείγματος σε αναλογικό σήμα με ακρίβεια. Τα ψηφιακά δεδομένα μπορούν να παραχθούν από έναν μικροεπεξεργαστή, Εφαρμογή Ειδικό Ολοκληρωμένο Κύκλωμα (ASIC) ή Field Programmable Gate Array (FPGA) , αλλά τελικά τα δεδομένα απαιτούν τη μετατροπή σε αναλογικό σήμα για να αλληλεπιδράσουν με τον πραγματικό κόσμο.
Βασικό ψηφιακό σε αναλογικό μετατροπέα
Αρχιτεκτονικές μετατροπέα D / A
Υπάρχουν δύο μέθοδοι που χρησιμοποιούνται συνήθως για ψηφιακή σε αναλογική μετατροπή: η μέθοδος σταθμισμένων αντιστάσεων και η άλλη χρησιμοποιεί τη μέθοδο δικτύου κλίμακας R-2R.
DAC χρησιμοποιώντας τη μέθοδο σταθμισμένων αντιστάσεων
Το παρακάτω σχηματικό διάγραμμα είναι DAC χρησιμοποιώντας σταθμισμένες αντιστάσεις. Η βασική λειτουργία του DAC είναι η δυνατότητα προσθήκης εισόδων που θα αντιστοιχούν τελικά στις συνεισφορές των διαφόρων bit της ψηφιακής εισόδου. Στον τομέα τάσης, δηλαδή εάν τα σήματα εισόδου είναι τάσεις, η προσθήκη των δυαδικών δυαδικών ψηφίων μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας την αντιστροφή ενισχυτής αθροίσματος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Δυανοσταθμισμένες αντιστάσεις DAC
Στον τομέα της τάσης, δηλαδή εάν τα σήματα εισόδου είναι τάσεις, η προσθήκη των δυαδικών δυαδικών ψηφίων μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας τον ενισχυτή αναστροφής αθροίσματος που φαίνεται στο παραπάνω σχήμα.
Οι αντιστάσεις εισόδου του op-amp σταθμίζουν τις τιμές αντίστασης σε δυαδική μορφή. Όταν το δυαδικό δέκτη 1 ο διακόπτης συνδέει την αντίσταση με την τάση αναφοράς. Όταν το λογικό κύκλωμα λαμβάνει δυαδικό 0, ο διακόπτης συνδέει την αντίσταση με τη γείωση. Όλα τα ψηφιακά bit εισαγωγής εφαρμόζονται ταυτόχρονα στο DAC.
Το DAC παράγει αναλογική τάση εξόδου που αντιστοιχεί στο δεδομένο ψηφιακό σήμα δεδομένων. Για το DAC η δεδομένη ψηφιακή τάση είναι b3 b2 b1 b0 όπου κάθε bit είναι δυαδική τιμή (0 ή 1). Η τάση εξόδου που παράγεται στην πλευρά εξόδου είναι
V0 = R0 / R (b3 + b2 / 2 + b1 / 4 + b0 / 8) Vref
Καθώς ο αριθμός των bit αυξάνεται στην ψηφιακή τάση εισόδου, το εύρος των τιμών της αντίστασης γίνεται μεγάλο και, κατά συνέπεια, η ακρίβεια γίνεται χαμηλή.
R-2R Ladder Digital to Analog Converter (DAC)
Η σκάλα R-2R DAC κατασκευάστηκε ως δυαδικό σταθμισμένο DAC που χρησιμοποιεί μια επαναλαμβανόμενη διαδοχική δομή τιμών αντίστασης R και 2R. Αυτό βελτιώνει την ακρίβεια λόγω της σχετικής ευκολίας παραγωγής αντιστάσεων ισοδύναμης αξίας (ή τρέχουσες πηγές).
R-2R Ladder Digital to Analog Converter (DAC)
Η παραπάνω εικόνα δείχνει τη σκάλα 4-bit R-2R DAC. Προκειμένου να επιτευχθεί ακρίβεια υψηλού επιπέδου, έχουμε επιλέξει τις τιμές αντίστασης ως R και 2R. Αφήστε τη δυαδική τιμή B3 B2 B1 B0, εάν b3 = 1, b2 = b1 = b0 = 0, τότε το κύκλωμα φαίνεται στο παρακάτω σχήμα είναι μια απλοποιημένη μορφή του παραπάνω κυκλώματος DAC. Η τάση εξόδου είναι V0 = 3R (i3 / 2) = Vref / 2
Ομοίως, Εάν b2 = 1 και b3 = b1 = b0 = 0, τότε η τάση εξόδου είναι V0 = 3R (i2 / 4) = Vref / 4 και το κύκλωμα απλοποιείται όπως παρακάτω
Εάν b1 = 1 και b2 = b3 = b0 = 0, τότε το κύκλωμα που φαίνεται στην παρακάτω εικόνα είναι μια απλοποιημένη μορφή του παραπάνω κυκλώματος DAC. Η τάση εξόδου είναι V0 = 3R (i1 / 8) = Vref / 8
Τέλος, το κύκλωμα εμφανίζεται παρακάτω που αντιστοιχεί στην περίπτωση όπου b0 = 1 και b2 = b3 = b1 = 0. Η τάση εξόδου είναι V0 = 3R (i0 / 16) = Vref / 16
Με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι όταν τα δεδομένα εισόδου είναι b3b2b1b0 (όπου μεμονωμένα bits είναι είτε 0 είτε 1), τότε η τάση εξόδου είναι
Εφαρμογές ψηφιακού σε αναλογικό μετατροπέα
Τα DAC χρησιμοποιούνται σε πολλές εφαρμογές επεξεργασίας ψηφιακού σήματος και σε πολλές ακόμη εφαρμογές. Μερικές από τις σημαντικές εφαρμογές συζητούνται παρακάτω.
Ενισχυτής ήχου
Τα DAC χρησιμοποιούνται για την παραγωγή κέρδους τάσης DC με εντολές μικροελεγκτή. Συχνά, το DAC θα ενσωματωθεί σε έναν ολόκληρο κωδικοποιητή ήχου που περιλαμβάνει χαρακτηριστικά επεξεργασίας σήματος.
Κωδικοποιητής βίντεο
Το σύστημα κωδικοποιητή βίντεο θα επεξεργάζεται ένα σήμα βίντεο και θα στέλνει ψηφιακά σήματα σε μια ποικιλία DAC για την παραγωγή αναλογικών σημάτων βίντεο διαφόρων μορφών, μαζί με τη βελτιστοποίηση των επιπέδων εξόδου. Όπως με τους κωδικοποιητές ήχου, αυτά τα IC ενδέχεται να έχουν ενσωματωμένα DAC.
Ηλεκτρονικά οθόνης
Ο γραφικός ελεγκτής συνήθως θα χρησιμοποιεί έναν πίνακα αναζήτησης για τη δημιουργία σημάτων δεδομένων που αποστέλλονται σε ένα βίντεο DAC για αναλογικές εξόδους, όπως κόκκινα, πράσινα, μπλε (RGB) σήματα για την οδήγηση μιας οθόνης.
Συστήματα απόκτησης δεδομένων
Τα δεδομένα που πρόκειται να μετρηθούν ψηφιοποιούνται από έναν αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα (ADC) και στη συνέχεια αποστέλλονται σε έναν επεξεργαστή. Η απόκτηση δεδομένων θα περιλαμβάνει επίσης ένα τέλος ελέγχου διαδικασίας, στο οποίο ο επεξεργαστής στέλνει δεδομένα ανατροφοδότησης σε ένα DAC για μετατροπή σε αναλογικά σήματα.
Βαθμονόμηση
Το DAC παρέχει δυναμική βαθμονόμηση για κέρδος και μετατόπιση τάσης για ακρίβεια στα συστήματα δοκιμών και μετρήσεων.
Μηχανικός έλεγχος
Απαιτούνται πολλά χειριστήρια κινητήρα σήματα ελέγχου τάσης , και ένα DAC είναι ιδανικό για αυτήν την εφαρμογή που μπορεί να οδηγείται από έναν επεξεργαστή ή έναν ελεγκτή.
Εφαρμογή ελέγχου κινητήρα
Σύστημα διανομής δεδομένων
Πολλές βιομηχανικές και εργοστασιακές γραμμές απαιτούν πολλαπλές προγραμματιζόμενες πηγές τάσης και αυτό μπορεί να δημιουργηθεί από μια τράπεζα DAC που είναι πολυπλεξία. Η χρήση ενός DAC επιτρέπει τη δυναμική αλλαγή τάσεων κατά τη λειτουργία ενός συστήματος.
Ψηφιακό ποτενσιόμετρο
Σχεδόν όλοι ψηφιακά ποτενσιόμετρα βασίζονται στην αρχιτεκτονική συμβολοσειράς DAC. Με κάποια αναδιοργάνωση της αντίστασης / του διακόπτη, και την προσθήκη του μια συμβατή διεπαφή I2C , μπορεί να εφαρμοστεί ένα πλήρως ψηφιακό ποτενσιόμετρο.
Λογισμικό ραδιοφώνου
Ένα DAC χρησιμοποιείται με έναν ψηφιακό επεξεργαστή σήματος (DSP) για τη μετατροπή ενός σήματος σε αναλογικό για μετάδοση στο κύκλωμα μίξερ και, στη συνέχεια, στο ραδιόφωνο ενισχυτής ισχύος και πομπό.
Έτσι, αυτό το άρθρο συζητά ψηφιακός σε αναλογικός μετατροπέας και τις εφαρμογές του. Ελπίζουμε να έχετε καλύτερη κατανόηση αυτής της έννοιας. Επιπλέον, οποιεσδήποτε απορίες σχετικά με αυτήν την ιδέα ή για την εφαρμογή ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών έργων, παρακαλώ δώστε τις πολύτιμες προτάσεις σας σχολιάζοντας την παρακάτω ενότητα σχολίων. Εδώ είναι μια ερώτηση για εσάς, Πώς μπορούμε να ξεπεράσουμε την κακή ακρίβεια του DAC Binary Weighted Resistor;
