Dlaczego potrzebujemy konwerterów danych? W prawdziwym świecie większość danych jest dostępna w postaci analogowej. Mamy dwa rodzaje konwerterów Analogowy do cyfrowego konwertera i przetwornik cyfrowo-analogowy. Podczas manipulowania danymi te dwa interfejsy konwertujące są niezbędne dla cyfrowego sprzętu elektronicznego i analogowego urządzenia elektrycznego, które musi zostać przetworzone przez procesor w celu uzyskania wymaganej operacji.
Na przykład, weźmy poniższą ilustrację DSP, ADC konwertuje dane analogowe zebrane przez sprzęt wejściowy audio, taki jak mikrofon (czujnik), na sygnał cyfrowy, który może być przetwarzany przez komputer. Komputer może dodawać efekty dźwiękowe. Teraz przetwornik cyfrowo-analogowy przetwarza cyfrowy sygnał dźwiękowy z powrotem na sygnał analogowy, który jest używany przez sprzęt wyjściowy audio, taki jak głośnik.
Przetwarzanie sygnału audio
Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC)
Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) to urządzenie, które przekształca dane cyfrowe w sygnał analogowy. Zgodnie z twierdzeniem o próbkowaniu Nyquista-Shannona, wszelkie próbkowane dane mogą być doskonale zrekonstruowane przy użyciu kryteriów szerokości pasma i Nyquista.
Przetwornik cyfrowo-analogowy może precyzyjnie rekonstruować próbkowane dane na sygnał analogowy. Dane cyfrowe mogą być wytwarzane przez mikroprocesor, układ scalony specyficzny dla aplikacji (ASIC) lub Tablica bramek programowalna przez użytkownika (FPGA) , ale ostatecznie dane wymagają konwersji na sygnał analogowy w celu interakcji ze światem rzeczywistym.
Podstawowy przetwornik cyfrowo-analogowy
Architektury przetworników C / A
Istnieją dwie powszechnie stosowane metody konwersji sygnału cyfrowego na analogowy: metoda rezystorów ważonych, a druga wykorzystuje metodę sieci drabinkowej R-2R.
DAC wykorzystujący metodę Weighted Resistors
Poniższy schemat przedstawia przetwornik cyfrowo-analogowy wykorzystujący rezystory ważone. Podstawową operacją DAC jest możliwość dodawania wejść, które ostatecznie będą odpowiadały wkładom różnych bitów wejścia cyfrowego. W dziedzinie napięcia, to znaczy jeśli sygnały wejściowe są napięciami, dodanie bitów binarnych można uzyskać za pomocą funkcji odwracającej wzmacniacz sumujący pokazano na poniższym rysunku.
Binarne rezystory ważone DAC
W dziedzinie napięcia, to znaczy jeśli sygnały wejściowe są napięciami, sumowanie bitów binarnych można uzyskać za pomocą odwracającego wzmacniacza sumującego pokazanego na powyższym rysunku.
Rezystory wejściowe wzmacniacz operacyjny mają wartości rezystancji ważone w formacie binarnym. Gdy binarne 1 odbiorcze 1, przełącznik łączy rezystor z napięciem odniesienia. Gdy obwód logiczny otrzyma binarne 0, przełącznik łączy rezystor z masą. Wszystkie bity wejścia cyfrowego są jednocześnie stosowane w przetworniku cyfrowo-analogowym.
DAC generuje analogowe napięcie wyjściowe odpowiadające podanemu cyfrowemu sygnałowi danych. W przypadku przetwornika cyfrowo-analogowego podane napięcie cyfrowe wynosi b3 b2 b1 b0, gdzie każdy bit jest wartością binarną (0 lub 1). Napięcie wyjściowe wytwarzane po stronie wyjściowej wynosi
V0 = R0 / R (b3 + b2 / 2 + b1 / 4 + b0 / 8) Vref
Wraz ze wzrostem liczby bitów w cyfrowym napięciu wejściowym zakres wartości rezystora staje się duży i odpowiednio zmniejsza się dokładność.
R-2R Ladder Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC)
DAC drabinkowy R-2R skonstruowany jako binarnie ważony DAC, który wykorzystuje powtarzającą się kaskadową strukturę wartości rezystorów R i 2R. Zwiększa to precyzję ze względu na względną łatwość wytwarzania równorzędnych dopasowanych rezystorów (lub źródeł prądu).
R-2R Ladder Przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC)
Powyższy rysunek przedstawia 4-bitowy DAC drabinkowy R-2R. Aby uzyskać wysoką dokładność, wybraliśmy wartości rezystorów R i 2R. Niech wartość binarna B3 B2 B1 B0, jeśli b3 = 1, b2 = b1 = b0 = 0, to obwód jest pokazany na poniższym rysunku, jest to uproszczona forma powyższego obwodu DAC. Napięcie wyjściowe wynosi V0 = 3R (i3 / 2) = Vref / 2
Podobnie, jeśli b2 = 1 i b3 = b1 = b0 = 0, wówczas napięcie wyjściowe wynosi V0 = 3R (i2 / 4) = Vref / 4, a obwód jest uproszczony jak poniżej
Jeśli b1 = 1 i b2 = b3 = b0 = 0, to obwód pokazany na poniższym rysunku jest uproszczoną formą powyższego obwodu DAC. Napięcie wyjściowe wynosi V0 = 3R (i1 / 8) = Vref / 8
Wreszcie obwód pokazano poniżej, odpowiadając przypadkowi, w którym b0 = 1 i b2 = b3 = b1 = 0. Napięcie wyjściowe wynosi V0 = 3R (i0 / 16) = Vref / 16
W ten sposób możemy stwierdzić, że gdy dane wejściowe to b3b2b1b0 (gdzie poszczególne bity mają wartość 0 lub 1), to napięcie wyjściowe wynosi
Zastosowania konwertera cyfrowo-analogowego
Przetworniki cyfrowo-analogowe są używane w wielu aplikacjach do cyfrowego przetwarzania sygnałów i wielu innych aplikacjach. Niektóre z ważnych aplikacji omówiono poniżej.
Wzmacniacz dźwięku
Przetworniki DAC są używane do wytwarzania wzmocnienia napięcia DC za pomocą poleceń mikrokontrolera. Często przetwornik cyfrowo-analogowy zostanie włączony do całego kodeka audio, który zawiera funkcje przetwarzania sygnału.
Koder wideo
System kodera wideo przetwarza sygnał wideo i wysyła sygnały cyfrowe do różnych przetworników cyfrowo-analogowych w celu wytworzenia analogowych sygnałów wideo w różnych formatach, wraz z optymalizacją poziomów wyjściowych. Podobnie jak w przypadku kodeków audio, te układy scalone mogą mieć zintegrowane przetworniki cyfrowo-analogowe.
Wyświetl elektronikę
Sterownik graficzny zazwyczaj używa tabeli przeglądowej do generowania sygnałów danych wysyłanych do przetwornika C / A wideo dla wyjść analogowych, takich jak sygnały czerwony, zielony, niebieski (RGB) do sterowania wyświetlaczem.
Systemy gromadzenia danych
Dane do pomiaru są digitalizowane przez przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), a następnie przesyłane do procesora. Zbieranie danych będzie również obejmować koniec sterowania procesem, w którym procesor wysyła dane zwrotne do przetwornika cyfrowo-analogowego w celu konwersji na sygnały analogowe.
Kalibrowanie
Przetwornik DAC zapewnia dynamiczną kalibrację wzmocnienia i przesunięcia napięcia w celu zapewnienia dokładności w systemach testowych i pomiarowych.
Kontrola silnika
Wiele sterowników silnika tego wymaga sygnały sterujące napięciem , a przetwornik cyfrowo-analogowy jest idealny do tej aplikacji, która może być obsługiwana przez procesor lub kontroler.
Aplikacja sterowania silnikiem
System dystrybucji danych
Wiele linii przemysłowych i fabrycznych wymaga wielu programowalnych źródeł napięcia, które może być generowane przez zespół multipleksowanych przetworników cyfrowo-analogowych. Zastosowanie przetwornika cyfrowo-analogowego pozwala na dynamiczną zmianę napięć podczas pracy systemu.
Potencjometr cyfrowy
Prawie wszystko potencjometry cyfrowe są oparte na architekturze string DAC. Po pewnej reorganizacji macierzy rezystorów / przełączników i dodaniu interfejs zgodny z I2C można zaimplementować w pełni cyfrowy potencjometr.
Oprogramowanie radiowe
Przetwornik cyfrowo-analogowy wraz z cyfrowym procesorem sygnałowym (DSP) konwertuje sygnał na analogowy do transmisji w obwodzie mieszacza, a następnie do radia wzmacniacz mocy i nadajnik.
Dlatego w tym artykule omówiono przetwornik cyfrowo-analogowy i jego zastosowania. Mamy nadzieję, że lepiej zrozumieliście tę koncepcję. Ponadto wszelkie pytania dotyczące tej koncepcji lub realizacji projektów elektrycznych i elektronicznych prosimy o przekazanie cennych sugestii, komentując w sekcji komentarzy poniżej. Oto pytanie do Ciebie, Jak możemy przezwyciężyć słabą dokładność w przetworniku cyfrowo-analogowym z binarnym rezystorem ważonym?
