Digitálno-analógový prevodník

Digitálno-analógový prevodník je elektronické zariadenie na prevod digitálneho signálu na analógový signál. Jeho nasadenie je na výstupoch zo zdrojov digitálnej informácie do okolitého sveta, ktorý vnímame ako spojitý (analógový). Príkladom je zvuková karta, ktorá prijme digitálnu informáciu z procesora (napríklad dekódovanú MPEG pesničku) a pomocou digitálno-analógového prevodníku ju prenesie cez zosilňovač a ekvalizér do reproduktoru. Výsledok vnímame ako spojitý signál (zvuk, melódiu).

Digitálno-analógový prevodník - konštrukcia z diskrétnych súčiastok DAC1138KX

Princípy prevodu

DAC prevodník môžeme chápať ako dekódovací obvod, ktorý prevádza digitálne slovo do veľkosti výstupného prúdu alebo napätia, prípadne náboja.

Prúdový princíp

V tomto prípade sa konverzia dosahuje pripájaním binárne vážených interných prúdových zdrojov, ktoré sú nakoniec sčítané na operačnom zosilňovači.

• na obrázku je znázornený 8 bitový DAC. Spínače a S0 až S8 symbolicky reprezentujú pripájanie jednotlivých vetiev (prúdov) podľa riadiaceho slova. Pre názornosť je možné si predstaviť, že vysoká úroveň reprezentuje zopnutý vypínač a nízka rozopnutý. Veľkosť napätia na výstupe (Vout) potom môžeme vyjadriť vzťahom:

$V_{out}=-I_{out}R_{out}=-V_{ref}(b_{0}2^{-1}+b_{1}2^{-2}+...+b_{n}2^{-(n+1)})$ ...kde R_out je spätnoväzbový rezistor, I_out je výstupný prúd, b_i sú jednotlivé bity;

• po podrobnejšej analýze obvodu je možné vytknúť dva nedostatky:

1. veľké parazitné kapacity spôsobené pripájaním jednotlivých vetiev
2. exponenciálny nárast hodnôt rezistorov

• na ďalšom obrázku je schéma zapojenia, kde sú tieto problémy vyriešené
• nevýhodou tohto zapojenia je zdvojnásobenie počtu rezistorov, čo však nie je taký veľký problém ako umiestnenie veľmi rozmanitých hodnôt do jedného integrovaného obvodu
• rezistory sa tu vyskytujú už len so základnou a dvojnásobnou hodnotou
• binárne delenie prúdu je zabezpečené na každej vetve postupne na zložky v pomere 1/2

Napäťový princíp

• DAC pracujúce na napäťovom princípe používajú na vytvorenie napätia na výstupe kombináciu dielov referenčného napätia. Princíp je možné pochopiť z nasledujúceho obrázka, kde je zobrazený 3 bitový DAC.

• podmienkou správnej funkcie tohto obvodu je zanedbateľná veľkosť prúdu tečúceho do sledovača
• každý bit digitálnej informácie zopína príslušný vypínač, vysoká úroveň na nultého bitu zopne vypínač A nízka naopak A s pruhom, tzn. slovo 110 zopne A, B, (C s pruhom) a na výstupe úroveň V_ref/4
• nevýhodou tohto zapojenia je veľký počet ovládacích prvkov (2^N+1), rezistorov (2^N) a logických prepojení (2^N)
• tieto vlastnosti ho obmedzujú len na použitie v rýchlych aplikáciách s malým rozlíšením

Nábojový princíp

DA prevodník pracujúci na tomto princípe vytvára napäťovú úroveň na výstupe pomocou predávania náboja sieťou kondenzátorov. Jeho činnosť je možné vysvetliť na nasledujúcom obrázku.

• C_A pripojíme na zem a C_B budeme periodicky prepínať medzi referenčný napätím a zemou. Ak budú oba spínače na zemi, budú oba kondenzátory vybité (nulovacia fáza) a na výstupe (V_x) bude nulové napätie. Ak bude S₀ otvorený a S₁ na referenčnom napätí, bude paltit $V_{x}={\frac {V_{ref}C_{B}}{C_{A}+C_{B}}}$, čo je vzorkovacia fáza.
• usporiadaním kondenzátorov podobne ako pri využití prúdového princípu a binárnym vyvážením, ukazuje nasledujúci obrázok, môžeme odvodiť nasledovný vzťah pre výstupné napätie:

$\sum _{k=1}^{n}{\frac {C}{2^{k-1}}}$.......kde C je najvyššia kapacita v obvode zodpovedajúca nultému bitu;

• toto zapojenie má však rovnakú chybu ako ekvivalentný odporový variant, a to je exponenciálne rastúci rozdiel najvyššej a najnižšej kapacity
• z tohto dôvodu je zapojenie ako integrovaný obvod realizovateľné maximálne do 8 bitov

Chyby DA prevodníkov

Chyby DA prevodníkov sú dvoch základných druhov:

1. Odstrániteľné chyby
   • chyba ofsetu – možné odstrániť nastavením trimrov
   • chyba rozsahu – možné odstrániť predradením deliča
2. Neodstrániteľné chyby
   • chyba spojitosti – chyba sa prejaví ako lokálny extrém na krivke výstupného napätia, ktorá ma byť v ideálnom prípade priamka
   • nelinearita – chyba prejavujúca sa ako odchýlky od skutočných výstupných hodnôt napätia od ideálnej priamky, bez funkčnej závislosti; rozlišujeme dva typy:
     • diferenciálna – chyba udávajúca rozdiel skoku hodnoty výstupného napätia od ideálneho skoku 1 LSB (least system bit-najmenší systémový bit opak HSB-hightest system bit)
     • integrálna – udáva najväčšiu odchýlku reálnych hodnôt od ideálnej priamky, obyčajne sa vyjadruje v percentách

Externé odkazy

ADC and DAC Glossary
Glossary definition