Konverter bezieht sich auf ein Gerät, das ein Signal in ein anderes umwandelt. Signal ist die Form oder der Träger von Informationen. In automatischen Instrumentierungsgeräten und automatischen Steuerungssystemen wird ein Signal häufig in ein anderes Signal umgewandelt, verglichen mit dem Standard- oder Referenzwert, um die beiden Arten von Instrumenten zu verbinden. Daher besteht der Konverter häufig aus zwei Instrumenten (oder einem Gerät).
Einführung in den AD-Konverter
- Klassifizierung von AD-Wandlern
Im Folgenden werden kurz die Grundprinzipien und Eigenschaften mehrerer häufig verwendeter Typen vorgestellt: Integraltyp, sukzessiver Approximationstyp, Parallelvergleichstyp/Seriell-Paralleltyp, Sigma-Delta-Modulationstyp, Kondensator Array aufeinanderfolgender Vergleichstyp und Spannung-Frequenzumwandlungstyp.
1) Integraler Typ (wie TLC7135)
Das Arbeitsprinzip des integralen AD besteht darin, den Eingang umzuwandeln Spannung in Zeit (Pulsbreitensignal) oder Frequenz (Pulsfrequenz), und dann wird der digitale Wert vom Timer / Zähler erhalten. Der Vorteil ist, dass mit einer einfachen Schaltung eine hohe Auflösung erzielt werden kann, der Nachteil ist jedoch, dass die Konvertierungsrate extrem niedrig ist, da die Konvertierungsgenauigkeit von der Integrationszeit abhängt. Die meisten der anfänglichen Einzelchip-AD-Wandler verwendeten einen integralen Typ, und jetzt ist der sukzessive Vergleichstyp allmählich zum Mainstream geworden.
2) Aufeinanderfolgender Vergleichstyp (wie TLC0831)
Der sukzessive Vergleich AD besteht aus einem Komparator und einem DA-Wandler durch sukzessive Vergleichslogik. Ausgehend vom MSB wird die Eingangsspannung für jedes Bit sequentiell mit dem Ausgang des eingebauten DA-Wandlers verglichen, und nach n Vergleichen wird ein digitaler Wert ausgegeben. Die Schaltungsskala ist mittelgroß. Seine Vorteile sind hohe Geschwindigkeit, geringer Stromverbrauch und hoher Preis bei niedriger Auflösung (12 Bit).
3) Parallelvergleichstyp / serieller Parallelvergleichstyp (z. B. TLC5510)
Der parallele Vergleichstyp AD verwendet mehrere Komparatoren, um die Konvertierung nur für einen Vergleich durchzuführen, der auch als FLash-Typ (schnell) bezeichnet wird. Aufgrund der extrem hohen Konvertierungsrate erfordert die n-Bit-Konvertierung 2n-1-Komparatoren. Daher ist auch die Schaltungsskala sehr groß und der Preis hoch. Es ist nur für Bereiche mit extrem hohen Geschwindigkeiten geeignet, wie z. B. Video-AD-Wandler.
Die Struktur des seriell-parallelen Vergleichstyps AD liegt zwischen dem parallelen Typ und dem aufeinanderfolgenden Vergleichstyp. Die typischste besteht aus zwei parallelen n / 2-Bit-AD-Wandlern und DA-Wandlern. Die Konvertierung wird durch zwei Vergleiche durchgeführt, daher wird sie als Halbblitz-Typ (halbschnell) bezeichnet. Es gibt auch drei oder mehr Schritte, um eine AD-Konvertierung zu erreichen, die als AD mit mehreren Schritten (Multistep / Subrangling) bezeichnet wird, und aus Sicht des Konvertierungszeitpunkts kann auch als AD mit Pipeline-Typ (Pipelined) bezeichnet werden. Moderne hierarchische AD werden ebenfalls mehrfach hinzugefügt. Das Konvertierungsergebnis wird verwendet für den digitalen Betrieb zum Ändern von Funktionen und anderen Funktionen. Diese Art der AD-Geschwindigkeit ist höher als die Art des aufeinanderfolgenden Vergleichstyps, und die Schaltungsskala ist kleiner als die parallele Art.
4) Modulationstyp Σ-Δ (Sigma & agr; / FONT> Delta) (wie AD7705)
Das Σ-Δ AD besteht aus einem Integrator, einem Komparator, einem 1-Bit-DA-Wandler und einem digitalen Filter. Im Prinzip ähnelt es dem Integraltyp. Die Eingangsspannung wird in ein Zeitsignal (Impulsbreite) umgewandelt und von einem digitalen Filter verarbeitet, um einen digitalen Wert zu erhalten. Der digitale Teil der Schaltung ist grundsätzlich einfach mit einem Chip zu versehen, so dass eine hohe Auflösung leicht erreicht werden kann. Wird hauptsächlich für Audio und Messung verwendet.
5) Aufeinanderfolgender Vergleichstyp des Kondensatorarrays
Der sukzessive Vergleichstyp AD des Kondensatorarrays übernimmt das Kondensatormatrixverfahren im eingebauten DA-Wandler, das auch als Ladungsumverteilungstyp bezeichnet werden kann. Die Werte der meisten Widerstände im Allgemeinen Widerstand Array-DA-Wandler müssen konsistent sein, und es ist nicht einfach, hochpräzise Widerstände auf einem einzelnen Chip zu erzeugen. Wenn ein Kondensatorarray anstelle von a verwendet wird Widerstand Array kann ein hochpräziser monolithischer AD-Wandler zu geringen Kosten hergestellt werden. Die meisten der jüngsten aufeinanderfolgenden Vergleichs-AD-Wandler sind vom Typ eines Kondensatorarrays.
6) Spannungs-Frequenz-Wandlungstyp (z. B. AD650)
Der Spannungs-Frequenz-Wandler (Spannungs-Frequenz-Wandler) implementiert die Analog-Digital-Wandlung durch indirekte Wandlung. Das Prinzip besteht darin, zuerst das analoge Eingangssignal in eine Frequenz umzuwandeln und dann die Frequenz mit einem Zähler in eine digitale Größe umzuwandeln. Theoretisch kann die Auflösung dieses AD nahezu unendlich erhöht werden, solange die Abtastzeit die Breite der kumulativen Impulszahl erfüllen kann, die für die Auflösung der Ausgangsfrequenz erforderlich ist. Seine Vorteile sind hohe Auflösung, geringer Stromverbrauch und niedriger Preis, aber es erfordert eine externe Zählschaltung, um die AD-Umwandlung zusammen abzuschließen. - Die wichtigsten technischen Indikatoren des AD-Wandlers
1) Auflösung (Auflösung) bezieht sich auf das Ausmaß der Änderung des analogen Signals, wenn sich der digitale Wert um einen Mindestbetrag ändert, definiert als das Verhältnis von Skalenendwert zu 2n. Die Auflösung wird auch als Genauigkeit bezeichnet, die normalerweise durch die Anzahl der Stellen des digitalen Signals ausgedrückt wird.
2) Die Konvertierungsrate (Konvertierungsrate) bezieht sich auf den Kehrwert der Zeit, die erforderlich ist, um eine AD-Konvertierung von analog zu digital durchzuführen. Die Umwandlungszeit der integralen AD beträgt Millisekunden, was eine langsame AD ist, eine sukzessive Vergleichs-AD ist eine Mikrosekunde und eine mittelschnelle AD, und eine vollparallele / seriell-parallele AD kann Nanosekunden erreichen. Die Abtastzeit ist ein weiteres Konzept, das sich auf das Intervall zwischen zwei Konvertierungen bezieht. Um den korrekten Abschluss der Konvertierung sicherzustellen, muss die Abtastrate (Abtastrate) kleiner oder gleich der Konvertierungsrate sein. Daher ist es für einige Personen akzeptabel, die Conversion-Rate numerisch mit der Abtastrate gleichzusetzen. Häufig verwendete Einheiten sind ksps und Msps, was Kilo / Million Proben pro Sekunde (Kilo / Million Proben pro Sekunde) bedeutet.
3) Quantisierungsfehler (Quantisierungsfehler) Der Fehler, der durch die endliche Auflösung von AD verursacht wird, dh das Maximum zwischen der abgestuften Übertragungscharakteristikkurve der endlichen Auflösung AD und der Übertragungscharakteristikkurve (gerade Linie) der unendlichen Auflösung AD (idealer AD) Abweichung. Es ist normalerweise 1 oder die Hälfte der kleinsten digitalen analogen Variante, ausgedrückt als 1LSB, 1 / 2LSB.
4) Offsetfehler Der Wert, bei dem das Ausgangssignal nicht Null ist, wenn das Eingangssignal Null ist, kann mit einem externen Potentiometer auf das Minimum eingestellt werden.
5) Full Scale Error (Full Scale Error) Die Differenz zwischen dem entsprechenden Eingangssignal und dem idealen Eingangssignalwert am Full Scale-Ausgang.
6) Linearität (Linearität) Die maximale Abweichung zwischen der Übertragungsfunktion des tatsächlichen Wandlers und der idealen Geraden, ausgenommen die obigen drei Fehler.
Weitere Indikatoren sind: Absolute Genauigkeit, Relative Genauigkeit, Differenzielle Nichtlinearität, Monotonie und fehlerfreier Code, Total Harmonic Distotortion (THD) und integrale Nichtlinearität. - DA Konverter
Es gibt keinen großen Unterschied in der internen Schaltungszusammensetzung des DA-Wandlers, und es wird im Allgemeinen danach klassifiziert, ob der Ausgang Strom oder Spannung ist und ob er multipliziert werden kann. Die meisten DA-Wandler bestehen aus einem Widerstandsarray und n Stromschaltern (oder Spannungsschaltern). Schalten Sie den Schalter entsprechend dem digitalen Eingangswert, um einen Strom (oder eine Spannung) proportional zum Eingang zu erzeugen. Darüber hinaus befinden sich im Gerät Konstantstromquellen, um die Genauigkeit zu verbessern. Im Allgemeinen werden die meisten Stromschaltkreise verwendet, da der Schaltfehler des Stromschalters klein ist. Wenn die Stromschaltschaltung den erzeugten Strom direkt ausgibt, handelt es sich um einen DA-Wandler vom Stromausgangstyp. Zusätzlich ist die Spannungsschalterschaltung ein DA-Wandler vom Typ mit direkter Ausgangsspannung.
1) Spannungsausgangstyp (z. B. TLC5620)
Obwohl es Spannungsausgangs-DA-Wandler gibt, die die Spannung direkt von einem Widerstandsarray ausgeben, verwenden sie im Allgemeinen einen eingebauten Ausgangsverstärker, um mit niedriger Impedanz auszugeben. Geräte, die direkt Spannung ausgeben, werden nur für hochohmige Lasten verwendet. Da es im Ausgangsverstärkerteil keine Verzögerung gibt, werden sie häufig als Hochgeschwindigkeits-DA-Wandler verwendet.
2) Aktueller Ausgangstyp (z. B. THS5661A)
DA-Wandler vom Stromausgangstyp verwenden den Stromausgang selten direkt und die meisten von ihnen sind mit einer Strom-Spannungs-Wandlungsschaltung verbunden, um einen Spannungsausgang zu erhalten. Letzteres hat zwei Methoden: Eine besteht darin, nur einen Lastwiderstand an den Ausgangspin anzuschließen, um eine Strom-Spannungs-Umwandlung durchzuführen; Es ist ein externer Operationsverstärker. Das Verfahren der Strom-Spannungs-Umwandlung mit Lastwiderstand kann zwar am Stromausgangspin auftreten, muss jedoch innerhalb des angegebenen Ausgangsspannungsbereichs verwendet werden und wird aufgrund der hohen Ausgangsimpedanz im Allgemeinen mit einem externen Operationsverstärker verwendet. Darüber hinaus können die meisten CMOSDA-Wandler nicht richtig arbeiten, wenn die Ausgangsspannung nicht Null ist. Daher muss ein externer Operationsverstärker angeschlossen werden. Wenn ein externer Operationsverstärker für die Strom-Spannungs-Umwandlung verwendet wird, entspricht die Schaltungskonfiguration im Wesentlichen dem Spannungsausgangstyp des eingebauten Verstärkers. Zu diesem Zeitpunkt wird die Reaktion aufgrund der Addition der Verzögerung des DA-Wandlers zur aktuellen Rüstzeit des DA-Wandlers langsamer. Außerdem neigt der Operationsverstärker in dieser Schaltung aufgrund der internen Kapazität des Ausgangspins zu Schwingungen, und manchmal ist eine Phasenkompensation erforderlich.
3) Multiplikationstyp (wie AD7533)
Einige DA-Wandler verwenden eine konstante Referenzspannung, andere fügen dem Referenzspannungseingang ein Wechselstromsignal hinzu. Letzterer wird als Multiplikations-DA-Wandler bezeichnet, da er das Ergebnis der Multiplikation des Digitaleingangs und des Referenzspannungseingangs erhalten kann. Der DA-Wandler vom Multiplikationstyp kann im Allgemeinen nicht nur eine Multiplikation durchführen, sondern kann auch als Dämpfungsglied verwendet werden, das das Eingangssignal digital dämpft, und als Modulator, der das Eingangssignal moduliert. [1]
4) Ein DA-Wandler
Der Ein-Bit-DA-Wandler unterscheidet sich vollständig von dem oben erwähnten Umwandlungsverfahren. Es wandelt den digitalen Wert in einen Impulsbreitenmodulations- oder Frequenzmodulationsausgang um und verwendet dann ein digitales Filter zur Mittelwertbildung, um einen allgemeinen Spannungsausgang zu erhalten (auch als Bitstrommethode bekannt). Für Audio und andere Anlässe. - Die wichtigsten technischen Indikatoren des DA-Wandlers:
1) Auflösung (Auflösung) bezieht sich auf das Verhältnis des minimalen analogen Ausgangs (entsprechend digitalen Größen ist nur das niedrigste Bit '1') zum Maximum (entsprechende digitale Größen sind alle gültigen Ziffern '1').
2) Die Einstellzeit ist die Zeit, die erforderlich ist, um eine digitale Größe in ein stabiles analoges Signal umzuwandeln, und kann auch als Umwandlungszeit betrachtet werden. Die Einschwingzeit wird in DA häufig verwendet, um die Geschwindigkeit zu beschreiben, und nicht die in AD üblicherweise verwendete Umwandlungsrate. Im Allgemeinen ist die Einschwingzeit des Stromausgangs DA kürzer und der Spannungsausgang DA ist länger.