Convertitori da digitale ad analogico

UN Digital to Analog Converter (DAC)converte un segnale di ingresso digitale in un segnale di uscita analogico. Il segnale digitale è rappresentato con un codice binario, che è una combinazione dei bit 0 e 1. Questo capitolo tratta in dettaglio i convertitori da digitale ad analogico.

Il block diagram di DAC è mostrato nella figura seguente:

Un convertitore da digitale ad analogico (DAC) è costituito da un numero di ingressi binari e una singola uscita. In generale, ilnumber of binary inputs di un DAC sarà una potenza di due.

Tipi di DAC

Ci sono two types di DAC

  • DAC con resistore pesato
  • DAC scala R-2R

Questa sezione discute in dettaglio su questi due tipi di DAC:

DAC con resistore pesato

Un DAC con resistore ponderato produce un'uscita analogica, che è quasi uguale all'ingresso digitale (binario) utilizzando binary weighted resistorsnel circuito sommatore invertente. In breve, un DAC con resistore ponderato binario è chiamato DAC con resistenza pesato.

Il circuit diagram di un DAC con resistenza binario a 3 bit è mostrato nella figura seguente:

Ricorda che i bit di un numero binario possono avere solo uno dei due valori. cioè 0 o 1. Sia il3-bit binary inputè $ b_ {2} b_ {1} b_ {0} $. Qui, i bit $ b_ {2} $ e $ b_ {0} $ denotanoMost Significant Bit (MSB) and Least Significant Bit (LSB) rispettivamente.

Il digital switchesmostrato nella figura sopra sarà collegato a massa, quando i bit di ingresso corrispondenti sono uguali a '0'. Allo stesso modo, gli interruttori digitali mostrati nella figura sopra saranno collegati alla tensione di riferimento negativa, $ -V_ {R} $ quando i bit di ingresso corrispondenti sono uguali a '1'.

Nel circuito sopra, il terminale di ingresso non invertente di un amplificatore operazionale è collegato a terra. Ciò significa che zero volt viene applicato al terminale di ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale.

Secondo il virtual short concept, la tensione al terminale di ingresso invertente di opamp è uguale a quella della tensione presente al suo terminale di ingresso non invertente. Quindi, la tensione al nodo del terminale di ingresso invertente sarà zero volt.

Il nodal equation al nodo del terminale di ingresso invertente è:

$$ \ frac {0 + V_ {R} b_ {2}} {2 ^ {0} R} + \ frac {0 + V_ {R} b_ {1}} {2 ^ {1} R} + \ frac {0 + V_ {R} b_ {0}} {2 ^ {2} R} + \ frac {0-V_ {0}} {R_ {f}} = 0 $$

$$ => \ frac {V_ {0}} {R_ {f}} = \ frac {V_ {R} b_ {2}} {2 ^ {0} R} + \ frac {V_ {R} b_ {1 }} {2 ^ {1} R} + \ frac {V_ {R} b_ {0}} {2 ^ {2} R} $$

$$ => V_ {0} = \ frac {V_ {R} R_ {f}} {R} \ left \ {\ frac {b_ {2}} {2 ^ {0}} + \ frac {b_ {1 }} {2 ^ {1}} + \ frac {b_ {0}} {2 ^ {2}} \ right \} $$

Sostituendo, $ R = 2R_ {f} $ nell'equazione precedente.

$$ => V_ {0} = \ frac {V_ {R} R_ {f}} {2R_ {f}} \ left \ {\ frac {b_ {2}} {2 ^ {0}} + \ frac { b_ {1}} {2 ^ {1}} + \ frac {b_ {0}} {2 ^ {2}} \ right \} $$

$$ => V_ {0} = \ frac {V_ {R}} {2} \ left \ {\ frac {b_ {2}} {2 ^ {0}} + \ frac {b_ {1}} {2 ^ {1}} + \ frac {b_ {0}} {2 ^ {2}} \ right \} $$

L'equazione sopra rappresenta il output voltage equationdi un DAC con resistore binario a 3 bit. Poiché il numero di bit è tre nell'ingresso binario (digitale), otterremo sette possibili valori di tensione di uscita variando l'ingresso binario da 000 a 111 per una tensione di riferimento fissa, $ V_ {R} $.

Possiamo scrivere il file generalized output voltage equation di un DAC con resistore ponderato binario a N bit come mostrato di seguito in base all'equazione della tensione di uscita di un DAC con resistore ponderato binario a 3 bit.

$$ => V_ {0} = \ frac {V_ {R}} {2} \ left \ {\ frac {b_ {N-1}} {2 ^ {0}} + \ frac {b_ {N-2 }} {2 ^ {1}} + .... + \ frac {b_ {0}} {2 ^ {N-1}} \ right \} $$

Il disadvantages di un DAC con resistenza binario ponderato sono i seguenti:

  • La differenza tra i valori di resistenza corrispondenti a LSB e MSB aumenterà all'aumentare del numero di bit presenti nell'ingresso digitale.

  • È difficile progettare resistori più accurati poiché il numero di bit presenti nell'ingresso digitale aumenta.

DAC scala R-2R

Il DAC Ladder R-2R supera gli svantaggi di un DAC con resistenza binario pesato. Come suggerisce il nome, R-2R Ladder DAC produce un'uscita analogica, che è quasi uguale all'ingresso digitale (binario) utilizzando unR-2R ladder network nel circuito sommatore invertente.

Ilcircuit diagramdi un DAC Ladder R-2R a 3 bit è mostrato nella figura seguente:

Ricorda che i bit di un numero binario possono avere solo uno dei due valori. cioè 0 o 1. Sia il3-bit binary inputè $ b_ {2} b_ {1} b_ {0} $. Qui, i bit $ b_ {2} $ e $ b_ {0} $ indicano rispettivamente il bit più significativo (MSB) e il bit meno significativo (LSB).

Gli interruttori digitali mostrati nella figura sopra saranno collegati a massa, quando i bit di ingresso corrispondenti sono uguali a '0'. Allo stesso modo, gli interruttori digitali mostrati nella figura sopra saranno collegati alla tensione di riferimento negativa, $ -V_ {R} $ quando i bit di ingresso corrispondenti sono uguali a '1'.

È difficile ottenere l'equazione generalizzata della tensione di uscita di un DAC Ladder R-2R. Tuttavia, possiamo trovare facilmente i valori di tensione di uscita analogica del DAC Ladder R-2R per singole combinazioni di ingressi binari.

Il advantages di un DAC Ladder R-2R sono i seguenti:

  • Il DAC Ladder R-2R contiene solo due valori di resistenza: R e 2R. Quindi, è facile selezionare e progettare resistori più accurati.

  • Se è presente un numero maggiore di bit nell'ingresso digitale, è necessario includere in aggiunta il numero richiesto di sezioni R-2R.

A causa dei vantaggi di cui sopra, il DAC Ladder R-2R è preferibile rispetto al DAC con resistore pesato binario.