Bộ chuyển đổi đề cập đến một thiết bị chuyển đổi tín hiệu này thành tín hiệu khác. Tín hiệu là hình thức hoặc vật mang thông tin. Trong thiết bị đo tự động và hệ thống điều khiển tự động, một tín hiệu thường được chuyển đổi thành tín hiệu khác so với giá trị chuẩn hoặc giá trị tham chiếu để kết nối hai loại thiết bị. Do đó, bộ chuyển đổi thường là hai thiết bị (hoặc Thiết bị).
Giới thiệu bộ chuyển đổi AD
- Phân loại bộ chuyển đổi AD
Phần sau đây giới thiệu ngắn gọn các nguyên tắc và đặc điểm cơ bản của một số loại thường được sử dụng: loại tích phân, loại gần đúng liên tiếp, loại so sánh song song/loại song song nối tiếp, loại điều chế sigma-delta, tụ mảng kiểu so sánh liên tiếp và Vôn- loại chuyển đổi tần số.
1) Loại tích phân (chẳng hạn như TLC7135)
Nguyên lý hoạt động của AD tích phân là chuyển đổi đầu vào Vôn thành thời gian (tín hiệu độ rộng xung) hoặc tần số (tần số xung), và sau đó giá trị số được bộ định thời / bộ đếm thu được. Ưu điểm là có thể thu được độ phân giải cao với một mạch đơn giản, nhưng nhược điểm là do độ chính xác chuyển đổi phụ thuộc vào thời gian tích hợp nên tỷ lệ chuyển đổi cực kỳ thấp. Hầu hết các bộ chuyển đổi AD đơn chip ban đầu sử dụng kiểu tích phân, và bây giờ kiểu so sánh kế tiếp dần trở thành xu hướng chủ đạo.
2) Loại so sánh kế tiếp (chẳng hạn như TLC0831)
AD so sánh liên tiếp bao gồm một bộ so sánh và một bộ chuyển đổi DA thông qua logic so sánh liên tiếp. Bắt đầu từ MSB, điện áp đầu vào được so sánh tuần tự với đầu ra của bộ chuyển đổi DA tích hợp cho mỗi bit và giá trị kỹ thuật số được xuất ra sau n lần so sánh. Quy mô mạch ở mức trung bình. Ưu điểm của nó là tốc độ cao, tiêu thụ điện năng thấp và giá cao ở độ phân giải thấp (12 bit).
3) Kiểu so sánh song song / kiểu so sánh song song nối tiếp (chẳng hạn như TLC5510)
Kiểu so sánh song song AD sử dụng nhiều bộ so sánh để thực hiện chuyển đổi chỉ cho một phép so sánh, còn được gọi là kiểu FLash (nhanh). Do tỷ lệ chuyển đổi cực cao, chuyển đổi n-bit yêu cầu 2n-1 bộ so sánh. Do đó, quy mô mạch cũng rất lớn và giá thành cao. Nó chỉ thích hợp cho các khu vực có tốc độ cực cao như bộ chuyển đổi AD video.
Cấu trúc của kiểu so sánh nối tiếp-song song AD là giữa kiểu song song và kiểu so sánh kế tiếp. Loại điển hình nhất bao gồm hai bộ chuyển đổi AD loại song song n / 2-bit và bộ chuyển đổi DA. Việc chuyển đổi được thực hiện bằng hai phép so sánh, vì vậy nó được gọi là Nó là loại Half flash (bán nhanh). Ngoài ra còn có ba hoặc nhiều bước để đạt được chuyển đổi AD được gọi là loại AD nhiều bước (Multistep / Subrangling), và từ góc độ thời gian chuyển đổi cũng có thể được gọi là loại AD đường ống (Pipelined), AD phân cấp hiện đại cũng thêm nhiều kết quả chuyển đổi được sử dụng cho hoạt động kỹ thuật số để sửa đổi các tính năng và các chức năng khác. Tốc độ AD kiểu này cao hơn kiểu so sánh nối tiếp và quy mô mạch nhỏ hơn kiểu song song.
4) Loại điều chế Σ-Δ (Sigma? / FONT> delta) (chẳng hạn như AD7705)
Σ-Δ AD bao gồm bộ tích phân, bộ so sánh, bộ chuyển đổi DA 1 bit và bộ lọc kỹ thuật số. Về nguyên tắc, nó tương tự như loại tích phân. Điện áp đầu vào được chuyển đổi thành tín hiệu thời gian (độ rộng xung) và được bộ lọc kỹ thuật số xử lý để thu được giá trị kỹ thuật số. Phần kỹ thuật số của mạch về cơ bản là chip đơn nên dễ đạt được độ phân giải cao. Chủ yếu được sử dụng cho âm thanh và đo lường.
5) Kiểu so sánh liên tiếp mảng tụ điện
Loại so sánh liên tiếp của mảng tụ điện AD áp dụng phương pháp ma trận tụ điện trong bộ chuyển đổi DA tích hợp, cũng có thể được gọi là loại phân phối lại điện tích. Giá trị của hầu hết các điện trở nói chung Điện trở Các bộ chuyển đổi mảng DA phải nhất quán và không dễ dàng để tạo ra các điện trở có độ chính xác cao trên một con chip. Nếu một mảng tụ điện được sử dụng thay vì một Điện trở mảng, một bộ chuyển đổi AD nguyên khối có độ chính xác cao có thể được thực hiện với chi phí thấp. Hầu hết các bộ chuyển đổi AD so sánh kế tiếp gần đây thuộc loại mảng tụ điện.
6) Loại chuyển đổi tần số điện áp (chẳng hạn như AD650)
Bộ chuyển đổi điện áp-tần số (Voltage-Frequency Converter) thực hiện chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số thông qua chuyển đổi gián tiếp. Nguyên tắc là đầu tiên chuyển tín hiệu tương tự đầu vào thành tần số, sau đó sử dụng bộ đếm để chuyển đổi tần số thành đại lượng số. Về lý thuyết, độ phân giải của AD này có thể được tăng lên gần như vô hạn, miễn là thời gian lấy mẫu có thể đáp ứng độ rộng của số xung tích lũy yêu cầu của độ phân giải tần số đầu ra. Ưu điểm của nó là độ phân giải cao, tiêu thụ điện năng thấp và giá thành rẻ, nhưng nó cần một mạch đếm bên ngoài để hoàn thành việc chuyển đổi AD cùng nhau. - Các chỉ báo kỹ thuật chính của bộ chuyển đổi AD
1) Độ phân giải (Resolution) đề cập đến lượng thay đổi trong tín hiệu tương tự khi giá trị kỹ thuật số thay đổi một lượng tối thiểu, được định nghĩa là tỷ lệ của toàn tỷ lệ thành 2n. Độ phân giải còn được gọi là độ chính xác, thường được biểu thị bằng số chữ số của tín hiệu kỹ thuật số.
2) Tỷ lệ chuyển đổi (Conversion Rate) đề cập đến nghịch đảo của thời gian cần thiết để hoàn thành một chuyển đổi AD từ tương tự sang kỹ thuật số. Thời gian chuyển đổi của AD tích phân là mili giây, là AD tốc độ thấp, AD so sánh liên tiếp là micro giây và AD tốc độ trung bình, và AD song song / nối tiếp song song có thể đạt tới nano giây. Thời gian lấy mẫu là một khái niệm khác, dùng để chỉ khoảng thời gian giữa hai lần chuyển đổi. Để đảm bảo hoàn thành chính xác quá trình chuyển đổi, tỷ lệ mẫu (Sample Rate) phải nhỏ hơn hoặc bằng tỷ lệ chuyển đổi. Do đó, có thể chấp nhận được đối với một số người khi đánh đồng tỷ lệ chuyển đổi bằng số với tỷ lệ lấy mẫu. Các đơn vị thường được sử dụng là ksps và Msps, có nghĩa là kilo / Triệu mẫu trên giây (kilo / Triệu mẫu trên giây).
3) Lỗi lượng tử hóa (Quantizing Error) Lỗi gây ra bởi độ phân giải hữu hạn của AD, nghĩa là, cực đại giữa đường đặc tính chuyển bậc của AD độ phân giải hữu hạn và đường đặc tính truyền (đường thẳng) của độ phân giải vô hạn AD (AD lý tưởng) sự lệch lạc. Nó thường là 1 hoặc một nửa biến thể tương tự kỹ thuật số nhỏ nhất, được biểu thị bằng 1LSB, 1 / 2LSB.
4) Lỗi bù Giá trị tại đó tín hiệu đầu ra không bằng XNUMX khi tín hiệu đầu vào bằng XNUMX, có thể được điều chỉnh đến mức nhỏ nhất bằng một chiết áp bên ngoài.
5) Lỗi toàn tỷ lệ (Full Scale Error) Sự khác biệt giữa tín hiệu đầu vào tương ứng và giá trị tín hiệu đầu vào lý tưởng ở đầu ra toàn tỷ lệ.
6) Độ tuyến tính (Linearity) Độ lệch lớn nhất giữa hàm truyền của bộ chuyển đổi thực tế và đường thẳng lý tưởng, không bao gồm ba lỗi trên.
Các chỉ số khác bao gồm: Độ chính xác tuyệt đối, Độ chính xác tương đối, Độ phi tuyến tính khác biệt, Tính đơn điệu và Mã không có lỗi, Độ méo hài tổng (THD) và độ phi tuyến tính tích phân. - Công cụ chuyển đổi DA
Không có nhiều sự khác biệt trong thành phần mạch bên trong của bộ chuyển đổi DA, và nó thường được phân loại theo đầu ra là dòng điện hay điện áp và liệu nó có thể được nhân lên hay không. Hầu hết các bộ chuyển đổi DA bao gồm một mảng điện trở và n công tắc dòng điện (hoặc công tắc điện áp). Chuyển công tắc theo giá trị đầu vào kỹ thuật số để tạo ra dòng điện (hoặc điện áp) tỷ lệ với đầu vào. Ngoài ra, còn có các nguồn dòng điện không đổi được đặt bên trong thiết bị nhằm nâng cao độ chính xác. Nói chung, bởi vì sai số chuyển mạch của công tắc hiện tại là nhỏ, hầu hết các loại mạch chuyển đổi hiện tại được sử dụng. Nếu mạch loại công tắc hiện tại trực tiếp xuất ra dòng điện được tạo ra, thì nó là bộ chuyển đổi DA loại đầu ra hiện tại. Ngoài ra, mạch loại chuyển đổi điện áp là bộ chuyển đổi điện áp đầu ra trực tiếp loại DA.
1) Loại đầu ra điện áp (chẳng hạn như TLC5620)
Mặc dù có các bộ chuyển đổi DA đầu ra điện áp trực tiếp xuất điện áp từ mảng điện trở, chúng thường sử dụng bộ khuếch đại đầu ra tích hợp để xuất ra với trở kháng thấp. Các thiết bị có điện áp đầu ra trực tiếp chỉ được sử dụng cho tải trở kháng cao. Vì không có độ trễ trong phần khuếch đại đầu ra, chúng thường được sử dụng làm bộ chuyển đổi DA tốc độ cao.
2) Loại đầu ra hiện tại (chẳng hạn như THS5661A)
Bộ chuyển đổi DA loại đầu ra hiện tại hiếm khi sử dụng đầu ra dòng điện trực tiếp, và hầu hết chúng được kết nối với mạch chuyển đổi điện áp hiện tại để thu được đầu ra điện áp. Sau này có hai phương pháp: một là chỉ nối một điện trở tải vào chân đầu ra để thực hiện chuyển đổi dòng điện - điện áp; Nó là một bộ khuếch đại hoạt động bên ngoài. Phương pháp chuyển đổi dòng điện-điện áp với điện trở tải, mặc dù điện áp có thể xuất hiện trên chân đầu ra hiện tại, nhưng nó phải được sử dụng trong phạm vi điện áp đầu ra được chỉ định và do trở kháng đầu ra cao, nó thường được sử dụng với bộ khuếch đại hoạt động bên ngoài. Ngoài ra, hầu hết các bộ chuyển đổi CMOSDA không thể hoạt động chính xác khi điện áp đầu ra không bằng XNUMX, vì vậy phải kết nối bộ khuếch đại hoạt động bên ngoài. Khi bộ khuếch đại hoạt động bên ngoài được sử dụng để chuyển đổi dòng điện sang điện áp, cấu hình mạch về cơ bản giống với loại đầu ra điện áp của bộ khuếch đại tích hợp. Tại thời điểm này, do thêm độ trễ của bộ chuyển đổi DA vào thời gian thiết lập hiện tại của bộ chuyển đổi DA, phản hồi trở nên chậm hơn. Ngoài ra, bộ khuếch đại hoạt động trong mạch này dễ bị dao động do điện dung bên trong của chân đầu ra, và bù pha đôi khi là cần thiết.
3) Kiểu nhân (chẳng hạn như AD7533)
Một số bộ chuyển đổi DA sử dụng điện áp tham chiếu không đổi và một số thêm tín hiệu AC vào đầu vào điện áp tham chiếu. Loại thứ hai được gọi là bộ chuyển đổi DA nhân vì nó có thể nhận được kết quả của việc nhân đầu vào kỹ thuật số và đầu vào điện áp tham chiếu. Bộ chuyển đổi DA loại nhân nói chung không chỉ có thể thực hiện phép nhân mà còn có thể được sử dụng như một bộ suy hao làm suy giảm tín hiệu đầu vào kỹ thuật số và một bộ điều chế điều chế tín hiệu đầu vào. [1]
4) Một công cụ chuyển đổi DA
Bộ chuyển đổi DA một bit hoàn toàn khác với phương pháp chuyển đổi nói trên. Nó chuyển đổi giá trị kỹ thuật số thành đầu ra điều chế độ rộng xung hoặc điều chế tần số, sau đó sử dụng bộ lọc kỹ thuật số để lấy trung bình để thu được đầu ra điện áp chung (còn được gọi là phương pháp dòng bit). Đối với âm thanh và các dịp khác. - Các chỉ số kỹ thuật chính của bộ chuyển đổi DA:
1) Độ phân giải (Resolution) đề cập đến tỷ lệ của đầu ra tương tự tối thiểu (tương ứng với đại lượng kỹ thuật số chỉ bit thấp nhất là '1') đến tối đa (đại lượng kỹ thuật số tương ứng là tất cả các chữ số hợp lệ '1')
2) Thời gian cài đặt là thời gian cần thiết để chuyển đổi một đại lượng kỹ thuật số thành tín hiệu tương tự ổn định, và nó cũng có thể được coi là thời gian chuyển đổi. Thời gian lắng thường được sử dụng trong DA để mô tả tốc độ của nó, hơn là tỷ lệ chuyển đổi thường được sử dụng trong AD. Nói chung, thời gian giải quyết của DA đầu ra hiện tại ngắn hơn và DA đầu ra điện áp dài hơn.