Pengonversi Digital-ke-Analog (DAC), Analog-ke-Digital (ADC) Dijelaskan

UNTUK konverter digital-ke-analog ( Dacian , D / A , D2A , atau D-ke-A ) adalah rangkaian yang dirancang untuk mengubah sinyal masukan digital menjadi sinyal keluaran analog. Konverter analog-ke-digital (ADC) bekerja dengan cara yang berlawanan dan mengubah sinyal masukan analog menjadi keluaran digital.

Pada artikel ini kami membahas secara komprehensif bagaimana rangkaian konverter digital ke analog, dan analog ke digital bekerja, menggunakan diagram dan rumus.

Dalam elektronika kita dapat menemukan tegangan dan arus yang bervariasi secara terus menerus dengan rentang dan besaran yang berbeda.

Pada rangkaian digital sinyal tegangan ada dalam dua bentuk, baik sebagai logika level logika tinggi atau logika rendah, yang merepresentasikan nilai biner 1 atau 0.

Dalam konverter analog ke digital (ADC), sinyal input analog direpresentasikan sebagai besaran digital, sedangkan konverter analog-digital (DAC) mengubah besaran digital kembali menjadi sinyal analog.

Cara Kerja Pengonversi Digital-ke-Analog

Proses konversi digital-ke-analog dapat dilakukan melalui berbagai teknik.

Salah satu metode yang terkenal memanfaatkan jaringan resistor, yang disebut jaringan tangga.

Jaringan tangga dirancang untuk menerima masukan yang melibatkan nilai biner biasanya pada 0 V atau Vref dan memberikan tegangan keluaran yang setara dengan besarnya masukan biner.

Gambar di bawah ini menunjukkan jaringan tangga yang menggunakan 4 tegangan input, yang mewakili 4 bit data digital dan output tegangan dc.

Tegangan keluaran sebanding dengan nilai masukan digital seperti yang dinyatakan oleh persamaan:

Memecahkan contoh di atas kita mendapatkan tegangan keluaran berikut:

Seperti yang kita lihat, input digital 0110_duadiubah menjadi output analog 6 V.

Tujuan dari jaringan tangga adalah untuk mengubah 16 besaran biner potensial
melalui 0000 hingga 1111 menjadi salah satu dari 16 besaran tegangan pada interval V._ref/ 16.

Oleh karena itu, dimungkinkan untuk memproses lebih banyak input biner dengan memasukkan lebih banyak unit tangga, dan untuk mencapai kuantisasi yang lebih tinggi untuk setiap langkah.

Artinya, misalkan jika kita menggunakan jaringan tangga 10 langkah, akan memungkinkan penggunaan untuk meningkatkan kuantitas langkah tegangan atau resolusi ke V_ref/dua¹⁰atau V_ref/ 1024. Dalam hal ini, jika kita menggunakan tegangan referensi V_ref= 10 V akan menghasilkan tegangan keluaran dalam langkah 10 V / 1024, atau sekitar 10 mV.

Jadi, menambahkan lebih banyak tahapan tangga akan memberi kita resolusi yang lebih tinggi secara proporsional.

Biasanya, untuk n Jumlah anak tangga, ini dapat direpresentasikan melalui rumus berikut:

V._ref/ duaⁿ

Diagram Blok DAC

Gambar di bawah ini menunjukkan diagram blok dari DAC standar menggunakan jaringan tangga, yang dirujuk sebagai tangga R-2R. Ini dapat dilihat terkunci antara sumber arus referensi dan sakelar arus.

Sakelar arus dihubungkan dengan sakelar biner, menghasilkan arus keluaran yang sebanding dengan nilai biner masukan.

Input biner mengaktifkan kaki masing-masing tangga, memungkinkan arus keluaran yang merupakan jumlah bobot referensi saat ini.

Jika diperlukan, resistor dapat dipasang dengan keluaran untuk menginterpretasikan hasil sebagai keluaran analog.

Cara Kerja Pengonversi Analog-ke-Digital

Sejauh ini kita telah membahas cara mengubah sinyal digital ke analog, sekarang mari kita pelajari cara sebaliknya, yaitu mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital. Ini dapat diimplementasikan melalui metode terkenal yang disebut metode kemiringan ganda .

Gambar berikut menunjukkan diagram blok untuk konverter ADC kemiringan ganda standar.

Di sini, sakelar elektronik digunakan untuk mentransfer sinyal input analog yang diinginkan ke integrator, juga disebut generator ramp. Generator ramp ini dapat berbentuk kapasitor yang diisi dengan arus konstan untuk menghasilkan ramp linier. Ini menghasilkan konversi digital yang diperlukan melalui tahap penghitung yang berfungsi untuk interval kemiringan positif dan negatif dari integrator.

Metode tersebut dapat dipahami dengan uraian berikut:

Rentang pengukuran lengkap penghitung menentukan interval waktu yang tetap. Untuk interval ini tegangan analog masukan yang diterapkan ke integrator menyebabkan tegangan masukan pembanding naik ke beberapa level positif.

Mengacu pada bagian (b) diagram di atas, terlihat bahwa tegangan dari integrator pada akhir interval waktu tetap lebih tinggi daripada tegangan input yang besarnya lebih besar.

Ketika interval waktu tetap selesai, hitungan diatur ke 0, yang meminta sakelar elektronik untuk menghubungkan integrator ke level tegangan input referensi tetap. Setelah ini, output integrator yang juga merupakan input kapasitor mulai turun dengan kecepatan konstan.

Selama periode ini, penghitung terus maju, sementara output integrator terus turun dengan kecepatan konstan, hingga turun di bawah tegangan referensi komparator. Ini menyebabkan keluaran komparator berubah status dan memicu tahapan logika kontrol untuk menghentikan penghitungan.

Besaran digital yang disimpan di dalam penghitung menjadi keluaran digital dari konverter.

Penggunaan jam umum dan tahap integrator selama interval kemiringan positif dan negatif menambahkan semacam kompensasi untuk mengendalikan penyimpangan frekuensi jam, dan batas akurasi integrator.

Dimungkinkan untuk menskalakan keluaran penghitung sesuai preferensi pengguna dengan mengatur nilai masukan referensi, dan kecepatan jam. Kita dapat memiliki penghitung sebagai biner, BCD atau dalam format digital lainnya, jika diperlukan.

Menggunakan Jaringan Tangga

Metode jaringan tangga yang menggunakan tahapan penghitung dan pembanding adalah cara ideal lain untuk mengimplementasikan konversi analog-ke-digital. Dalam metode ini, penghitung mulai menghitung dari nol, yang menggerakkan jaringan tangga, menghasilkan tegangan naik bertingkat, menyerupai tangga (lihat gambar di bawah).

Proses ini memungkinkan voltase meningkat dengan setiap langkah hitungan.

Sebuah komparator memonitor tegangan tangga yang naik ini dan membandingkannya dengan tegangan input analog. Segera setelah pembanding merasakan tegangan tangga naik di atas masukan analog, keluarannya meminta untuk menghentikan penghitungan.

Nilai penghitung pada titik ini menjadi padanan digital dari sinyal analog.

Tingkat perubahan tegangan yang dihasilkan oleh langkah-langkah sinyal tangga ditentukan oleh jumlah bit hitungan yang digunakan.

Misalnya penghitung 12 tingkat menggunakan referensi 10 V akan mengoperasikan jaringan tangga 10 tingkat dengan tegangan langkah:

V._ref/dua¹²= 10 V / 4096 = 2,4 mV

Ini akan membuat resolusi konversi 2,4 mV. Waktu yang diperlukan untuk pelaksanaan konversi ditentukan oleh clock rate penghitung.

Jika clock rate 1 MHz digunakan untuk mengoperasikan penghitung 12 tahap, waktu maksimum yang dibutuhkan untuk konversi adalah:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

Jumlah konversi terkecil yang mungkin dapat dilakukan per detik dapat ditemukan sebagai:

tidak. konversi = 1 / 4.1 ms ≈ 244 konversi / detik

Faktor-faktor yang Mempengaruhi Proses Konversi

Mempertimbangkan bahwa beberapa konversi mungkin menuntut lebih tinggi dan beberapa mungkin memerlukan waktu penghitungan yang lebih rendah, biasanya waktu konversi = 4,1 md / 2 = 2,05 md bisa menjadi nilai yang baik.

Ini akan menghasilkan rata-rata jumlah konversi 2 x 244 = 488.

Clock rate yang lebih lambat berarti lebih sedikit konversi per detik.

Konverter yang bekerja dengan jumlah tahapan penghitungan yang lebih rendah (resolusi rendah) akan memiliki tingkat konversi yang lebih tinggi.

Ketepatan konverter ditentukan oleh keakuratan kompartaor.