Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Podstawy układów DAC: teoria strun

ghost666 06 Wrz 2013 11:50 3732 3
  • Podstawy układów DAC: teoria strun


    Nie, w tym artykule nie będziemy zajmować się fizyką atomową ani kwantową - to byłoby fajne, ale nie na temat. W tym artykule omówimy teorię stojącą za prostymi przetwornikami DAC z drabinką rezystorową (po angielsku string DAC).

    Przetworniki DAC tego typu czasami określa się jako przetwornikami z dzielnikiem Kelvina lub Kelvina-Varleya, od nazwisk jego twórców. Taka architektura jest jedną z najprostszych metod zaprojektowania i zrealizowania przetwornika cyfrowo-analogowego. W najprostszej formie jest to DAC oparty o dzielnik oporowy wykonany z szeregowo połączonych oporników o takim samym oporze. Zależnie od kodu podanego na wejście cyfrowe przetwornika DAC odpowiedni odczep drabinki oporowej zostanie połączony z wzmacniaczem wyjściowym przetwornika. W idealnym przypadku każdy stopień drabinki oporowej powoduje spadek napięcia o 1 LSB. Tego typu układy, z uwagi na niewielki ruch przełączników błąd typu glitch, który zostanie omówiony dokładniej w jednym z kolejnych artykułów. Architekturę tego układu DAC obrazuje poniższy uproszczony schemat:

    Podstawy układów DAC: teoria strun


    Wraz z zwiększaniem rozdzielczości przetwornika DAC o tej architekturze zwiększa się wykładniczo ilość potrzebnych do konstrukcji układu oporników. Dla n bitowego układu potrzebne jest 2^n oporników, co w efekcie powoduje że wysokorozdzielczy przetwornik DAC wykonany w ten sposób potrzebowałby niezwykle dużej obudowy. Na przykłąd dla 16 bitowego DACa potrzebne by było 65536 oporników, 262144 dla 18 bitów i ponad milion dla rozdzielczości 20 bitów. Kaskadowana segmentacja układu to technika czasami aplikowana w celu zmniejszenia ilości potrzebnych oporników, jednakże nie będziemy tutaj rozważać tych technik. Opisane tutaj podstawowe cechy tego typu układów są prawdziwe niezależnie od tego czy techniki segmentacji zostały zaaplikowane do projektu czy też nie.

    Dokładność wartości oporu każdego z rezystorów w drabince przetwornika DAC wpływa bezpośrednio na jego liniowość. Jeśli którykolwiek z oporników w drabince będzie miał niepoprawny opór zaobserwujemy to w różnicowej nieliniowości układu przy kodach sąsiadujących z tym opornikiem. Dodatkowo nieliniowość integralna układu także ucierpi gdyż dalsze kody, poniżej błędnego opornika, będą posiadały pewien offset od swojej idealnej wartości sygnału wyjściowego. Przy liczbie oporników używanych do konstrukcji tego typu przetworników nie sposób jest trymować wszystkie z nich do dokładnie tej samej wartości, co w konsekwencji owocuje pewną nieliniowością układu. Jako że bardziej niż DNL zależy nam na dobrym parametrze INL podczas projektowania układu DAC stosuje się trymowanie grupowe oporników. Zamiast precyzyjnie dobierać każdy z nich, co byłoby niezwykle kosztowne, dobiera się całe sekcje oporników. Pozwala to na zmniejszenie kosztów przy jednoczesnej poprawie liniowości integralnej układu. Efekt takiego procesu pokazany jest na poniższym wykresie

    Podstawy układów DAC: teoria strun


    Poważną zaletą układów DAC o tej architekturze jest fakt iż impedancja wejściowa, patrząc z punktu widzenia stabilizatora napięcia odniesienia, jest stała, niezależnie od kodu. Zmienia się tylko chwilowo podczas przełączania. Inne układy konwerterów danych, w szczególności konwertery analogowo-cyfrowe o sukcesywnej aproksymacji, charakteryzują się dynamicznie zmiennym obciążeniem stabilizatora napięcia odniesienia. Zmienna impedancja wejścia napięcia odniesienia oznacza iż podczas projektowania układu wykorzystującego przetwornik DAC trzeba dołożyć szczególnych starań podczas projektowania układu generatora napięcia odniesienia. Oczywiście w każdym przypadku istotnym jest buforowanie napięcia odniesienia, jednakże układy DAC o omawianej tutaj architekturze należą do mniej wymagających. Dodatkowym czynnikiem ułatwiającym aplikacje tego układu jest fakt iż impedancja wejściowa dla napięcia odniesienia w takim układzie jest niezwykle wysoka. Oznacza to że cały układ jest bardzo energooszczędny.

    Finalnym elementem składowy przetwornika DAC o omawianej architekturze jest dzielnik napięcia obecny w drabince na samym jej początku, przed odczepami. Opornik ten musi charakteryzować się impedancją równą sumarycznej impedancji wszystkich innych oporników w drabince, co powoduje podzielenie napięcia odniesienia na pół. Taki zabieg wykonuje się z względu na poprawienie punktu pracy bufora wyjściowego i poprawienie warunków jego pracy. Aby skompensować podział napięcia na pół na tym etapie wzmacniacz wyjściowy przetwornika bardzo często posiada wzmocnienie równe dwa. W przypadku niektórych układów DAC możliwe jest kontrolowanie tego wzmocnienia poprzez cyfrowe sterowanie opornikami w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza wyjściowego, co pozwala na skonfigurowanie bufora wyjściowego do pracy z innym wzmocnieniem.

    Istnieje kilka podstawowych cech które charakteryzują przetworniki DAC o tej architekturze które trzeba zapamiętać:
    * Niski koszt dzięki prostocie projektu
    * Niska energia zakłóceń podczas przełączania kodów
    * Monotoniczność wynikająca z architektury
    * Niskie zużycie mocy

    Przetworniki DAC wykorzystujące tą architekturę często aplikowane są w przenośnych urządzeniach zasilanych z baterii, gdzie wykorzystuje się fakt niskiego zużycia mocy przez ten układ. Czasami także przetworniki tego typu używane są w aplikacjach automatyki gdzie dużą zaletą jest fakt iż układy te posiadają w pełni monotoniczne wyjścia. Aplikowane są często w pętlach sprzężenia zwrotnego, gdzie pozwalają kalibrować system automatyki przemysłowej.

    Texas Instruments posiada w swojej ofercie szereg układów DAC o tej architekturze. Są to: DAC8562, DAC8560, DAC8568, DAC7678, DAC8411, DAC8718, or DAC8728.
    Źródła:
    http://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2013/05/01/dac-essentials-string-theory.aspx

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9439 postów o ocenie 7378, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAO
  • #2
    Qujav
    Poziom 21  
    Przepraszam z góry za odkopywanie tak starego tematu.
    Wałkuję właśnie temat przetworników DAC na rezystorach przygotowując się do budowy własnego generatora funkcyjnego. Dotychczas miałem do czynienia tylko z cyfrówką i nadrabiam zaległości w elektronice analogowej.

    Moje pytanie to jak wyliczyć poszczególne napięcia otrzymane z kombinacji "załączania" poszczególnych gałęzi?

    Symulowałem na piechotę, ale wychodzi mi tylko, że można otrzymać tyle sensownych kombinacji ile mamy bitów. Dla 8 bitów - 8 wartości. Załączenie więcej niż jednej gałęzi powoduje zmostkowanie dzielnika i pojawiają się wartości losowe, które się powtarzają, chciałbym jak najlepiej wykorzystać taki DAC ale względna losowość innych kombinacji powoduje, że układ jest bezużyteczny bo wymagany jest stały skok napięcia.
  • IGE-XAO
  • #3
    n0name10
    Poziom 17  
    Cytat:
    Dla n bitowego układu potrzebne jest 2^n oporników


    Teoretyzując, powiedzmy chcemy uzyskać przetwornik o rozdzielczości 10 bitów. Potrzebujemy 2^10 - 1024 oporników. Co jest równoznaczne dołączeniu 1024 kluczy, przy czym dozwolone jest załączenie tylko jednego klucza, wtedy ma to sens. Potrzebujemy 10 bitowego multipleksera. W praktyce chcąc uzyskać dobrą rozdzielczość trochę nie realne, nie sądzisz ?

    Napięcie natomiast wyliczysz sobie traktując drabinkę rezystorową jako zwykły dzielnik z odczepem wyjściowym dołączonym do wejścia nie odwracającego wzmacniacza.
  • #4
    Qujav
    Poziom 21  
    Ok, w takim przypadku o wiele lepiej jest wykorzystać drabinkę 2R-R.
    Dziękuje za wyjaśnienie.