Przetworniki C / A budowa Marek Portalski

Przetworniki C / A Przetworniki c/a są szeroko stosowane w wielu urządzeniach elektronicznych, m.in. w układach do sterowania graficznych monitorów ekranowych, we wszelkiego typu układach analogowych, sterowanych cyfrowo (np. wzmacniacze, zasilacze), a także w układach odtwarzających sygnały akustyczne lub wizyjne, zarejestrowane w postaci cyfrowej. Przetwornik cyfrowo-analogowy jest układem, który wytwarza wyjściowy sygnał analogowy (napięcie, prąd) na podstawie cyfrowego sygnału wejściowego.

Przetworniki C / A UWY – napięcie wyjściowe ULSB – napięcie wyjściowe dla najmniej znaczącego bitu L – wejściowa liczba binarna

Przetworniki C / A Produkowane seryjnie przetworniki C/A wykonywane są obecnie jako układy scalone monolityczne, bardzo rzadko jako hybrydowe. Większość przetworników c/a zbudowana jest w oparciu o sieć rezystorów i przełączniki elektroniczne zrealizowane w technologii bipolarnej lub CMOS. Istnieją również realizacje z przełączanymi źródłami prądowymi. Odrębną realizacją są układy z jednym przełącznikiem i filtrem dolnoprzepustowym. Przetworniki C/A pracują w oparciu o trzy metody przetwarzania: równoległą, wagową, zliczania.

Przetworniki C / A Metoda równoległa wymaga wielu rezystorów i przełączników, dlatego też jest rzadko stosowana. Zasada działania przetwornika C/A wykorzystującego metodę równoległą przetwarzania.

Przetworniki C / A Metoda wagowa wymaga mniej elementów, jest powszechnie stosowana. Zasada działania przetwornika C/A wykorzystującego metodę wagową przetwarzania.

Przetworniki C / A W metodzie zliczania potrzeba najmniej elementów, lecz wymagane jest znaczne nadpróbkowanie sygnału cyfrowego. Zasada działania przetwornika C/A wykorzystującego metodę zliczania w przetwarzaniu.

Przetworniki C / A Porównanie metod Metoda równoległa Ilość przełączników: Równe oporniki Metoda wagowa Różne oporniki Metoda zliczania Ilość przełączników: 1 Jeden opornik i kondensator, sygnał znacznie nadpróbkowany

Przetworniki C / A O dokładności i liniowości przetwornika decydują stosunki wartości rezystancji pomiędzy poszczególnymi opornikami, a nie ich bezwzględne wartości. Trudności produkcyjne wykonania oporników o wielu różnych wartościach i bardzo małych tolerancjach doprowadziły do rozpowszechnienia się układów wykorzystujących tylko dwie wartości rezystancji: R i 2R. Praktycznie wykonuje się tylko jeden typ opornika, łącząc po dwa w szereg (lub równolegle) w zależności od potrzeby. Umożliwia to wykonanie wielu oporników o rezystancjach bardzo mało różniących się od siebie.

Przetworniki C / A Często spotykane rozwiązanie przetwornika C/A. Tu pokazano układ 4-bitowy. Zwiększając długość drabinki R – 2R można zwiększyć rozdzielczość praktycznie do 18 bitów. Opornik R w sprzężeniu zwrotnym wzmacniacza operacyjnego musi być też scalony razem z opornikami drabinki.

Przetworniki C / A Prądy I1 i I2 zależne od ustawienia przełączników płyną do punktów o potencjale masy. Dlatego pomimo komutacji napięcie na przełącznikach jest stałe, a ich pojemności nie przeładowują się. Daje to istotny wzrost szybkości pracy przetwornika. Układ ten jest typowy dla technologii CMOS. Przełączniki wykonane są jako pary komplementarnych tranzystorów MOSFET – jeden z kanałem N, drugi z kanałem P.

Przetworniki C / A Schemat przetwornika C/A z przełączanymi źródłami prądowymi. Jest to typowe rozwiązanie dla technologii bipolarnej.

Przetworniki C / A Rolę przełączników pełnią diody lub wzmacniacze różnicowe na tranzystorach bipolarnych. Dla uniknięcia zmian napięcia na przełącznikach w czasie komutacji i związanych z tym szkodliwych przeładowań ich pojemności opornik R musi być zastąpiony konwerterem prąd / napięcie na wzmacniaczu operacyjnym.

Przetworniki C / A

Przetworniki C / A Schemat scalonej konstrukcji zespołu źródeł prądowych współpracujący z zespołem przełączników przetwornika C/A. Tranzystory T1 ÷ T6 muszą mieć powierzchnię proporcjonalną do prądu kolektora. Tranzystor T6 służy wyłącznie do zamknięcia drabinki R-2R.

Przetwornik C/A zliczający Przetworniki C / A Przetwornik C/A zliczający Przetworniki C/A pracujące w oparciu o zasadę zliczania posiadają na wejściu konwerter sygnału cyfrowego na sygnał będący ciągiem impulsów prostokątnych o zmiennym współczynniku wypełnienia - modulacja PWM. Inną metodą jest generacja zmiennej ilości krótkich impulsów o stałej szerokości w ramach danego okresu. Częstotliwość impulsów podawanych na sam układ przetwornika C/A musi być tu wielokrotnie wyższa od szybkości zmian wejściowego sygnału cyfrowego. Rozdzielczości takich przetworników są duże i mogą przekraczać nawet 24 bity.

Przetworniki C / A Rodzaje impulsów sterujące przełącznikiem układu przetwornika C/A pracującego metodą zliczania.

Przetworniki C / A Można dowieść, że napięcie na wyjściu filtru RC jest w przypadku sygnału PWM proporcjonalne do współczynnika wypełnienia impulsów g: gdzie jest amplitudą ciągu impulsów.

Przetworniki C / A Dla sygnału z modulacją ilości impulsów napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do ilości jednakowych impulsów przypadających na okres sygnału: gdzie k jest stałą, n liczbą impulsów na okres, a jest tak jak poprzednio amplitudą impulsów.

Przetworniki C / A Napięcia bipolarne Przedstawione poprzednio układy przetworników C/A dają na wyjściu napięcie tylko jednego znaku, na ogół dodatnie. Dla otrzymania napięć przemiennych dodajemy do sygnału wyjściowego napięcie przeciwnego znaku o wartości odpowiadającej połowie zakresu przetwornika. Wtedy stan 0000...0 odpowiada maksymalnemu napięciu ujemnemu, a stan 1111...1 maksymalnemu napięciu dodatniemu. Dopasowanie danej reprezentacji ujemnej liczby binarnej do przedstawionych tu wymagań przetwornika realizujemy w odpowiednim wejściowym układzie cyfrowym. Są też przetworniki fabrycznie przystosowane do takiej pracy.

Przetworniki C / A Przedstawione tu układy przetworników C/A nie wyczerpują wszystkich rozwiązań układowych. W pewnych zastosowaniach stosowane są np. układy z odwróconą drabinką R – 2R. Istnieją także mnożące przetworniki C/A. Mają one wyprowadzone na zewnątrz wejście napięcia odniesienia. Przy odpowiedniej konstrukcji mogą mnożyć sygnał przemienny przez liczbę binarną. Ich typowe zastosowanie to cyfrowa regulacja wzmocnienia i cyfrowe kalibratory napięć (prądów) przemiennych.

Dziękuję za uwagę