Conversores digital para analógico (DAC), analógico para digital (ADC) explicados

PARA conversor digital para analógico ( Dacian , D / A , D2A , ou D-para-A ) é um circuito projetado para converter um sinal de entrada digital em um sinal de saída analógico. O conversor analógico-digital (ADC) funciona de maneira oposta e transforma um sinal de entrada analógico em uma saída digital.

Neste artigo, discutimos de forma abrangente como funcionam os circuitos conversores de digital para analógico e analógico para digital, usando diagramas e fórmulas.

Na eletrônica, podemos encontrar tensões e correntes variando continuamente com diferentes faixas e magnitudes.

Em circuitos digitais, o sinal de tensão tem duas formas, como níveis lógicos lógicos altos ou baixos, que representam valores binários de 1 ou 0.

Em um conversor analógico para digital (ADC), o sinal analógico de entrada é representado como uma magnitude digital, enquanto um conversor digital-analógico (DAC) converte a magnitude digital de volta em um sinal analógico.

Como funcionam os conversores digital para analógico

O processo de conversão digital para analógico pode ser realizado por meio de muitas técnicas diferentes.

Um método bem conhecido utiliza uma rede de resistores, conhecida como rede em escada.

Uma rede ladder é projetada para aceitar entradas envolvendo valores binários tipicamente em 0 V ou Vref e fornece uma tensão de saída equivalente à magnitude da entrada binária.

A figura abaixo demonstra uma rede ladder usando 4 tensões de entrada, que representam 4 bits de dados digitais e uma saída de tensão CC.

A tensão de saída é proporcional ao valor da entrada digital, conforme expresso pela equação:

Resolvendo o exemplo acima, obtemos a seguinte tensão de saída:

Como podemos ver, uma entrada digital de 0110_doisé convertido para uma saída analógica de 6 V.

O objetivo da rede em escada é alterar as 16 magnitudes binárias potenciais
de 0000 a 1111 em uma das 16 grandezas de tensão em intervalos de V_ref/ 16.

Portanto, pode ser possível processar mais entradas binárias, incluindo mais número de unidades de escada e realizar uma quantização mais alta para cada etapa.

Ou seja, suponha que se usarmos uma rede de escada de 10 degraus, permitirá o uso para aumentar a quantidade de degraus de tensão ou a resolução para V_ref/dois¹⁰ou V_ref/ 1024. Neste caso, se usarmos uma tensão de referência V_ref= 10 V geraria tensão de saída em etapas de 10 V / 1024, ou em torno de 10 mV.

Portanto, adicionar mais estágios de escada nos dará uma resolução proporcionalmente maior.

Normalmente, para n número de degraus da escada, isso pode ser representado pela seguinte fórmula:

V_ref/ doisⁿ

Diagrama de Bloco DAC

A figura abaixo mostra o diagrama de blocos de um DAC padrão usando uma rede ladder, referenciado como um ladder R-2R. Isso pode ser visto bloqueado entre a fonte de corrente de referência e as chaves de corrente.

As chaves de corrente são vinculadas às chaves binárias, produzindo uma corrente de saída proporcional ao valor binário de entrada.

As entradas binárias alternam as respectivas pernas da escada, permitindo uma corrente de saída que é uma soma ponderada da referência de corrente.

Se necessário, resistores podem ser acoplados às saídas para interpretar o resultado como saída analógica.

Como funcionam os conversores analógico para digital

Até agora, discutimos como converter sinais digitais em analógicos, agora vamos aprender como fazer o oposto, que é converter um sinal analógico em um sinal digital. Isso pode ser implementado por meio de um método conhecido chamado de método de inclinação dupla .

A figura a seguir mostra o diagrama de blocos para o conversor ADC de inclinação dupla padrão.

Aqui, uma chave eletrônica é empregada para transferir o sinal de entrada analógico desejado para um integrador, também chamado de gerador de rampa. Este gerador de rampa pode ter a forma de um capacitor carregado com uma corrente constante para gerar a rampa linear. Isso produz a conversão digital necessária por meio de um estágio de contador que funciona para intervalos de declive positivos e negativos do integrador.

O método pode ser entendido com a seguinte descrição:

A faixa de medição completa do contador decide o intervalo de tempo fixo. Para este intervalo, a tensão analógica de entrada aplicada ao integrador faz com que a tensão de entrada do comparador aumente para algum nível positivo.

Referindo-se à seção (b) do diagrama acima, mostra que a tensão do integrador no final do intervalo de tempo fixo é maior do que a tensão de entrada que é maior em magnitude.

Quando o intervalo de tempo fixo termina, a contagem é definida como 0, o que faz com que a chave eletrônica conecte o integrador a um nível de tensão de entrada de referência fixa. Depois disso, a saída do integrador, que também é a entrada do capacitor, começa a cair a uma taxa constante.

Durante esse período, o contador continua avançando, enquanto a saída do integrador continua caindo a uma taxa constante, até ficar abaixo da tensão de referência do comparador. Isso faz com que a saída do comparador mude de estado e aciona o estágio de lógica de controle para interromper a contagem.

A magnitude digital armazenada dentro do contador torna-se a saída digital do conversor.

O uso de um relógio comum e estágio integrador durante os intervalos de declive positivo e negativo adiciona algum tipo de compensação para controlar o desvio da frequência do relógio e limite de precisão do integrador.

Pode ser possível dimensionar a saída do contador de acordo com a preferência do usuário, configurando adequadamente o valor de entrada de referência e a taxa de clock. Podemos ter o contador como binário, BCD ou em outro formato digital, se necessário.

Usando a rede Ladder

O método de rede ladder usando estágios de contador e comparador é outra maneira ideal de implementar a conversão analógica para digital. Neste método, um contador começa a contar do zero, o que aciona uma rede em escada, gerando uma tensão de incremento em degraus, semelhante a uma escada (ver figura abaixo).

O processo permite que a tensão aumente a cada etapa de contagem.

Um comparador monitora essa tensão crescente em escada e a compara com a tensão de entrada analógica. Assim que o comparador detecta a tensão em escada acima da entrada analógica, sua saída solicita a interrupção da contagem.

O valor do contador neste ponto se torna o equivalente digital do sinal analógico.

O nível de mudança na voltagem gerada pelas etapas do sinal em escada é determinado pela quantidade de bits de contagem usados.

Por exemplo, um contador de 12 estágios usando uma referência de 10 V irá operar uma rede ladder de 10 estágios com tensões de degrau de:

V_ref/dois¹²= 10 V / 4096 = 2,4 mV

Isso criará uma resolução de conversão de 2,4 mV. O tempo necessário para a execução da conversão é determinado pela taxa de clock do contador.

Se a taxa de clock de 1 MHz for usada para operar um contador de 12 estágios, o tempo máximo levado para a conversão seria:

4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms

O menor número de conversões possíveis por segundo pode ser encontrado como:

não. de conversões = 1 / 4,1 ms ≈ 244 conversões / segundo

Fatores que influenciam o processo de conversão

Considerando que algumas conversões podem exigir mais e algumas podem exigir menos tempo de contagem, normalmente um tempo de conversão = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms pode ser um bom valor.

Isso produzirá um número 2 x 244 = 488 de conversões em média.

Taxa de clock mais lenta significaria menos conversões por segundo.

Um conversor trabalhando com menor número de estágios de contagem (baixa resolução) teria uma maior taxa de conversão.

A precisão do conversor é determinada pela exatidão do compartaor.