- Převodník D/A-

Převodník D/A
Úvod
Řada zdrojů informace vytváří signál v analogové formě, ale číslicové zařízení může zpracovat informaci v číslicové formě. Pro umožnění zpětného působení na přenášenou informaci je třeba z číslicové formy získat analogové napětí nebo proud.
Číslicové-analogové převodníky
Číslicové-analogový převodník přeměňuje vstupní číslicový signál na výstupní analogový, který je přímo úměrný vstupní informaci. Podle způsobu přivedení signálu na jeho vstup se dělí D/A převodníky na PARALELNÍ a SERIOVÉ.
Paralelní převodník má počet vstupů ve shodě s počtem bitů ve zpracovávaném slově. Každé slovo bude přiváděno na vstup převodníku paralelně, tj. všechny slova budou současně zpracovávány převodníkem.
Sériový typ převodníku má jeden vstup, na který se přivádějí jednotlivé bity vstupního slova za sebou synchronně s hodinovým kmitočtem.
Obecný D/A převodník obsahuje
Vstupní paměť
Která uchovává vstupní číslicovou informaci pro vlastní převodník, aby byl zajištěn potřebný analogový signál na výstupu (po potřebnou dobu).

Dekodér
Pokud je třeba převést vstupní informaci na obvykle užívaný binární k=od o N bitech.
Spínače
Které zajistí sepnutí napětí nebo proudů podle vstupní informace.
Vyhodnocovací obvod
Který podle stavů spínače na základě referenčního zdroje určí velikost odpovídajících proudů na svorkách () – 0 i a () + 0 i.
Referenční zdroj
Zajištující potřebná napětí ref U a pro zdroje proudu ve vyhodnocovacím obvodu (s možností změny polarity napětí +/= ref U při bipolárním režimu).
Výstupní zesilovače
zajištující úrovňovou a impedační úpravu již analogového signálu z vyhodnocovacího obvodu s ohledem na potřebné další použití.
Parametry D/A převodníku
Statické parametry
charakterizující statické vlastnosti D/A převodníků vycházejí z ideální a skutečné převodník charakteristiky a jejich vzájemného srovnání.
Rozlišovací schopnost
Je přímo úměrné počtu diskrétních stupňů výstupního signálu.
Přesnost
v souvislosti s rozdílem mezi skutečnou a ideální převodní charakteristikou, je dána odchylkou nulového bodu (ofset), chybou zisku a zejména nelinearitou nebo diferenciální nelinearitou.
Dynamické parametry
Doba ustálení
(ns) tj. času potřebný k dosažení příslušného analogového výstupu.
Rychlost přeběhu
(V/s), je nepřímo úměrná době ustálení.
Stabilita
U D/A převodníku vyjadřuje závislost výstupního analogového signálu na teplotě, napájecím napětí atd.

Obecné blokové schéma paralelního D/A převodníku
D/A převodníky
Převodníky D/A je možné chápat jako dekódovací obvody, které převádějí digitálně kódovaný signál na analogový výstupní proud nebo napětí. Výstupní napětí se odvozuje z přesného stejnosměrného (referenčního) napěťového zdroje Uref.
Základní schématická značka takovéhoto převodníku je naznačena na obr.

Výstupné signál A (napětí, nebo proud) je vázán vztahem

Ve většině případů je nutné základní systém doplnit dalšími podpůrnými obvody jako jsou datové obvody (uchovávající informace) a výstupní obvod „sample and hold“, který podrží informaci na výstupu až do dalšího převodu. Úkolem vstupních datových obvodů je zachovat informaci a uchránit ji po dobu než proběhne konverze. Výstupní obvod udržuje výstup na konstantní úrovni, odpovídající předchozímu konverznímu kroku do doby, než nová digitální data budou zaznamenána ve vstupní paměti pro další konverzi. D/A konvertoe si tedy můžeme představit podle obrázku:

Vlastní konvertor (převodník) můžeme rozkreslit podle obrázku. Sestává z referenčního zdroje napětí, které dodává napětí ref U, soustavy binárních spínačů, jejichž stav je dán bitovými koeficienty (1b, 2b,……, N b), rezistorového obvodu, který dodává váhu příslušným bitům a výstupního obvodu, který sčítá příspěvky jednotlivých bitů.

Proudový princip
V tomto případě se konverze dosahuje pomocí řady binárně vážených proudů generovaných uvnitř obvodu, a tyto proudy jsou nakonec sečteny, abychom obdrželi analogový výstup. Základní princip generace a sčítání binárně vážených proudů I1, I2, …, In je znázorněno na obrázku – napětí spínání:

Proudové spínání
Zatímco proudy tekoucí váhovými rezistory v zapojení podle předchozího obr. Se mení mezi nulou a plnou hodnotou, v zapojení podle obr. Se nemění a tečou buď do země nebo do výstupu. Zapojení podle obr.
Je výhodnější z hlediska rychlosti ustálení přechodových jevů. Proudový výstup D/A převodníku je závislý na koeficientech váhových odporů. Jestliže budeme zvětšovat počet bitů, bude se zvyšovat poměr příslušných rezistorů, neboť platí:

Uspořádání, které vylučuje široký rozsah rezistorů, je tzv, R 2R obvod

Napěťový princip

Nábojový princip D/A konvertorů
Tento konvertor vytváří analogovou úroveň pomocí náboje předávaného sítí kondenzátorů. Princip je naznačen na obr. Ca je připojen na zem a Cb budeme periodicky přepínat mezi zemí a interním
referenčním napětím Uref . Budou-li oba spínače připojeny na zemní vodič, budou oba kondenzátory vybity (tzv. nulovací fáze), a na Ux bude nulové napětí. Bude-li S0 rozepnut a S1 připojen na Uref , bude

Toto je tzv. vzorkovací fáze
Linearita a odchylka od ní
Důležitým parametrem D/A převodníků je linearita a odchylky od ní. Rozeznáváme
dva typy odchylek a tedy dvě hodnoty nelinearity.
Integrální nelinearita
Integrální nelinearita – je měřítkem odchylky převodní charakteristiky D/A
převodníku od ideální charakteristiky přímkové.
Normálně se uvažuje největší odchylka od přímky procházející počátkem a bodem
udávajícím maximální výstupní hodnotu. Vyjadřuje se v procentech Ufs

Diferenciální nelinearita
Diferenciální nelinearita – je určena nestejností jednotlivých úrovní mezi
sousedními převody. Ideálně by se úrovně měly lišit o jeden LSB. Tato nelinearita
závisí na vstupním digitálním kódu a nelze jí eliminovat.
S otázkou diferenciální nelinearity souvisí otázka monotónnosti převodníku.
Převodník bude monotónní, bude-li pro postupně se zvyšující hodnotu digitálního
kódu analogový výstup rovněž zvyšovat hodnotu.
Za monotónní budeme převodník považovat v případě, že chyba způsobená
diferenciální nelinearitou je menší než ±1 LSB.
Různé typy nelinearity jsou naznačeny na obr.

Chyby D/A převodníků
Ideální D/A převodník by měl mít charakteristiku podle obr.

Charakteristiky reálných převodníků se od této ideální charakteristiky liší, neboť
vykazují různé chyby:
Ofsetová chyba
Ofsetová chyba – pro tříbitový převodník je tato chyba naznačena na obr.

Chyba rozsahu
Chyba rozsahu se projevuje na analogovém výstupu v důsledku nepřesného
nastavení zesílení výstupního operačního zesilovače nebo chyby referenčního
napětí

Číslicově analogový převodník s váhovými odpory
V tomto převodníku se pomocí řady váhových rezistorů o hodnotách odporů
odstupňovaných ve dvojkové soustavě odvodí z referenčního napěťového zdroje
Uref proudy odstupňované velikosti, které se přivedou do sčítacího bodu
invertujícího zesilovače.
Výstupní napětí Uv je úměrné součtu těchto proudů. Které proudy se budou sčítat,
to určuje stav spínačů Z0 až Z3 . Zapojení tohoto typu převodníku (pro čtyřbitový
binární převodník) uvádí obr.

Vector Linear Shaping Circuitry (VLSC)
Conventional D/A conversion methods reduce digital pulse noise at the conversion stage but can’t remove it completely. Previously only found on Onkyo’s high-end components, VLSC (Vector Linear
Shaping Circuitry)employs a unique D/A conversion circuit to overcome this problem. Data is converted between sampling points and these points are joined with analogue vectors in real-time to
produce a smooth output wave form. The result - a virtually noiseless, smooth analogue signal based on the digital source.