View
205
Download
7
Category
Preview:
DESCRIPTION
Un convertor numeric analogic are la intrare un semnal numeric si exprimat printr-o secvenţă de variabile binare bk, k =1, 2, ... , N (cod binar) şi generează la ieşire un semnal analogic se (curent sau tensiune) funcţie de valoarea numerică a semnalului de intrare, în concordanţă cu codul utilizat. Structura unui CNA cuprinde circuite pentru generarea tensiunii sau curentului de referinţă, comutatoare electronice comandate de biţii semnalului de intrare, reţea din rezistenţe sau condensatoare de precizie şi circuite de însumare a curenţilor .
Citation preview
Capitolul 3
Conversia numeric- analogica
3.1 Principii de realizare ale CNA
Un convertor numeric analogic are la intrare un semnal numeric s i exprimat printr-o
secvenţă de variabile binare bk, k =1, 2, ... , N (cod binar) şi generează la ieşire un semnal
analogic se (curent sau tensiune) funcţie de valoarea numerică a semnalului de intrare, în
concordanţă cu codul utilizat. Structura unui CNA cuprinde circuite pentru generarea tensiunii
sau curentului de referinţă, comutatoare electronice comandate de biţii semnalului de intrare,
reţea din rezistenţe sau condensatoare de precizie şi circuite de însumare a curenţilor .
Principalele caracteristici ale convertoarelor numeric analogice, pe baza cărora se alege un
CNA pentru o aplicaţie, sunt:
codul semnalului de intrare,
rezoluţia,
precizia,
viteza,
stabilitatea cu temperatura,
natura şi domeniul semnalului de ieşire.
Funcţia de transfer a unui CNA liniar si unipolar este dată prin relaţia:
unde K este o constantă, VREF este tensiune de referinţă şi DCF este valoarea numerică a
secvenţei de intrare bk, k =1, 2, ... , N în codificare fracţionară. Bitul b1 reprezintă bitul de
semnificaţie maximă (MSB, Most Significant Bit), iar bN reprezintă bitul de semnificaţie
minimă (LSB, Least Significant Bit). Putem deasemenea scrie:
unde DCBN este valoarea numerică a secvenţei de intrare corespunzătoare codului binar
natural.
Mărimea reprezintă intervalul de variaţie a semnalului de ieşire (FSR, Full-
Scale Range) şi care are valorile tipice de: 2,5 V; 5V; 10 V sau 2 mA.
Se consideră cazul în care semnalul de ieşire al CNA este un curent, situaţie în care
constanta K are dimensiunea 1/Ω. Rezultă funcţia de transfer a unui CNA sub forma dată de
relaţia:
unde Ie este curentul de ieşire al CNA şi R este o rezistenţă de referinţă.
3.2 Caracteristicile CNA
Rezoluţia unui CNA este dată de numărul de biţi N ce compun secvenţa de intrare. Se
defineşte mărimea LSB ca variaţia minimă a valorii semnalului de ieşire, variaţie ce se obţine
pentru modificarea semnalului de intrare între două valori succesive a codului de intrare.
Rezoluţia teoretică a unui convertor de N biţi este 2N însă rezoluţia reală poate fi mult
mai mică datorită erorilor.
Caracteristica de transfer reprezintă dependenţa mărimii de ieşire faţă de mărimea
de intrare. Pentru un CNA ideal caracteristica de transfer este un set de puncte dispuse pe o
dreaptă conform figurii 3.1
Codul de intrare
digital
OUT
REF
V
V
000 011 100 101 110 111010001
0
1/8
2/8
3/8
4/8
5/8
6/8
7/8
cuanta ideală
ieşire ideală
Fig. 3.1 Caracteristica de transfer a CNA ideal
FS – Full scale (excursia maximă) este diferenţa dintre valoarea tensiunii analogice de
ieşire când toţi biţii codului digital de intrare sunt 1 şi valoarea tensiunii analogice de ieşire
când toţi biţii codului digital de intrare sunt 0
FSR – Full scale range este definit ca limită când N→∞ din FS
3.3 Erori statice ale CNA
Convertoarele sunt caracterizate de erori datorate atât metodei cât şi de erori datorate
abaterii de la parametrii de circuit a componentelor din care sunt realizate. Aceste erori pot
afecta numai caracteristica de transfer caz în care spunem că erorile sunt statice sau pot afecta
şi desfăşurarea în timp a operaţiei de conversie când spunem că avem erori dinamice.
Precizia caracterizează capacitatea circuitelor de conversie de a respecta cu stricteţe
caracteristica de transfer ideală. Precizia are două aspecte : justeţea şi fidelitatea.
Codul de intraredigital
Caracteristicaideală
caracteristicareală
REF
OUT
V
v
000 011 100 101 110 111010001
0
1/8
2/8
3/8
4/8
5/8
6/8
7/8
Fig 3.2 Eroarea de gamă (de câştig)
Precizia absolută caracterizează în întregime funcţionarea unui convertor reflectând
orice anomalie a caracteristicii de transfer reale în funcţie de cea ideală. Precizia absolută este
mai des apreciată prin eroarea absolută.
Eroarea de gamă (de câştig) apare datorită modificării pantei caracteristicii de
transfer reale faţă de cea ideală.
Diferenţa de pantă se poate ajusta prin reglarea câştigului convertorului sau
amplificatoarelor ce îl însoţesc şi se poate practic elimina. Eroarea de gamă se poate aprecia
aplicând la intrare valoarea maximă a mărimii de intrare şi măsurând mărimea de ieşire ce
trebuie să corespundă capătului de scară.
Eroarea de decalaj (offset) constă în translaţia caracteristicii reale faţă de cea ideală.
Această eroare se pune în evidenţă aplicând la intrare o mărime de intrare nulă (000…0) şi
Codul de intrare
digital
caracteristica ideală
caracteristica reală
REF
OUT
V
v
000 011 100 101 110 111010001
0
1/8
2/8
3/8
4/8
5/8
6/8
7/8
Fig. 3.3 Eroarea de decalaj (offset)
măsurând ieşirea, diferenţa faţă de 0 este tocmai eroarea de decalaj după cum se constată în
figura 3.3. Acest tip de decalaj este uşor de compensat mai ales dacă nu are o componentă
variabilă în timp. Erorile de gamă şi de decalaj pot fi un efect al modificării punctelor de
funcţionare a componentelor ca urmare a variaţiilor de temperatură sau umiditate sau datorită
fenomenelor de îmbătrânire a componentelor.
Liniaritatea arată în ce măsură caracteristica de transfer a unui convertor se abate de
la forma teoretică de dreaptă. În general caracteristica de transfer este de forma :
y=ax+b+ε ( x )în care x este mărimea de intrare, z mărimea de ieşire, a este panta caracteristicii, b
este eroarea de decalaj iar ε ( x ) este eroarea de liniaritate.
Liniaritatea integrală se exprimă în procente din domeniul de lucru, în fracţiuni de
LSB sau în unităţi absolute (mai rar). Ea poate fi evaluată prin două metode :
- cea mai bună dreaptă ce aproximează caracteristica de transfer
- dreapta ce trece prin punctele extreme ale caracteristicii
Aceste două aproximări sunt redate în figura 3.4.
Intrare
caracteristica reală
dreapta de cea mai bună aproximaţie
dreapta prin puntele extreme
Ieşire
Fig 3.4 Metode de liniarizare
Pentru un CNA neliniaritatea integrală (INL) este dată de diferenţa maximă între
valorile reale ale semnalului de la ieşirea convertorului şi valorile rezultate din funcţia de
transfer liniară ce trece prin punctele extreme ale caracteristicii reale. În general aceste puncte
se obţin pentru secvenţele de intrare 00…0 şi 11…1.
În figura 3.5. este prezentată caracteristica ideală şi o caracteristică reală pentru un
convertor numeric analogic de 3 biţi punându-se în evidenţă erorile de neliniaritate integrală.
Codul numeric de intrare
Caracteristicaideală
REF
OUT
V
v
000 011 100 101 110 111010001
0
1/8
2/8
3/8
4/8
5/8
6/8
7/8
ci
1LSB
-1LSB
Fig 3.5. Neliniaritatea integrală
Neliniaritatea diferenţială DNL a unui CNA este dată de diferenţa maximă faţă de
variaţiile de 1LSB ale semnalului de ieşire corespunzătoare variaţiilor între două valori
succesive ale secvenţei de intrare.
Dacă notăm cu şirul valorilor de ieşire ale unui CNA ce corespund
schimbării codurilor numerice de intrare, atunci :
În figura 4.10 este prezentată caracteristica ideală şi o caracteristică reală pentru un
CNA de 3 biţi punându-se în evidenţă erorile de neliniaritate diferenţială.
Codul numeric de intrare
Caracteristicaideală
REF
OUT
V
v
000 011 100 101 110 111010001
0
1/8
2/8
3/8
4/8
5/8
6/8
7/8
LD
+1LSB
-1LSB
-0,5
1
-1,5
1,5
Fig. 3.6. Neliniaritatea diferenţială
-1
O neliniaritate diferenţială mai mare de –1LSB conduce la o comportare nemonotonă
a CNA şi anume la creşterea între două valori succesive a secvenţei de intrare se obţine
scăderea valorii semnalului de ieşire. Folosirea unui astfel de CNA în sistemele de achiziţie şi
control poate duce la apariţia instabilităţii.
Un CNA de calitate trebuie să aibă atât INL cât şi DNL de cel mult ½ LSB.
Monotonia este strâns legată de liniaritate. Comportarea unui convertor este
monotonă dacă panta caracteristicii de transfer nu îşi schimbă semnul (mărimea de ieşire
creşte sau rămâne constantă) la o variaţie strict crescătoare a mărimii de intrare. O
neliniaritate integrală de ±1/2 LSB garantează monotonia caracteristicii de transfer.
Nivele omise pot apărea la aplicarea unei intrări uniform crescătoare şi observarea
ieşirii convertorului. Astfel la aplicarea unei secvenţe de coduri consecutive la intrarea unui
CNA se poate observa că anumite nivele nu pot fi generate indiferent de valoarea intrării.
3.4 Caracteristici dinamice ale convertoarelor D/A
Timpul de stabilizare caracterizează viteza de răspuns a unui circuit. Majoritatea
circuitelor utilizate în instrumentaţie au timpul de stabilizare precizat în catalog. Acesta
reprezintă intervalul de timp de la aplicarea unui anumit cod la intrare şi obţinerea nivelului
corespunzător la ieşire cu o aproximaţie de cel mult ±1/2 LSB
Timpul de conversie reprezintă intervalul de timp necesar unui convertor să obţină
mărimea de ieşire plecând de la o mărime de intrare dată. În cazul CNA acest tip este
considerat a fi chiar timpul de stabilizare.
Timpul de revenire este timpul necesar unui convertor pentru a putea opera din nou
corect.
Rata de conversie este o măsură a vitezei convertorului şi este definită de inversul
sumei timpilor de conversie şi revenire.
Rconv=1
t conv+ trevViteza de variaţie a ieşirii (slew rate) reprezintă o caracterizare a intervalului de timp
necesar ieşirii să realizeze o modificare a semnalului dintr-un capăt în altul al domeniului său
de variaţie. Definiţia completă este :
SR=ΔU 0
Δt|Δt→0
Parametrul slew-rate depinde atât de circuitul de ieşire cât şi de sarcina acestuia mai
ales dacă ea este capacitivă.
V0
Cod numeric
111
100
000
011
Fig 3.7. Apariţia glitch-urilor
3.5 Erori dinamice ale CNA
Eroarea de stabilizare apare la nerespectarea timpului de stabilizare ce poate duce la
denaturarea treptelor generate. Timpul de stabilizare poate varia cu temperatura şi tensiunile
de alimentare dar nu în limite prea largi.
Eroare de slew-rate. Nerespectarea vitezei de variaţie a semnalului (slew-rate) poate
cauza aceleaşi erori ca şi cele provenite din nerespectarea timpului de stabilizare.
Dacă se schimbă foarte repede codurile de intrare (mai ales cu variaţii mari ale lor)
este posibil ca ieşirea să nu poată răspunde corect (mai ales în cazul excursiilor de tensiune
mari).
Glitches sunt caracteristice convertoarelor numeric analogice şi apar ca urmare a
faptului că nu toţi biţii cuvântului de intrare comută simultan (figura. 3.7.).
Aceste fenomene apar mai evident la schimbările de cod în jurul MSB. Amplitudinea
glitch-urilor poate ajunge la jumătate din excursia maximă a ieşirii. Aprecierea cantitativă a
acestui fenomen se face mai ales prin măsurarea ariei glitch-ului şi nu prin valoarea
amplitudinii acesteia. Eliminarea lor se face prin:
- asigurarea comutării simultane a tuturor biţilor cuvântului de intrare prin folosirea
unor scheme sincrone;
Convertoare numeric analogice
Seriale
În sarcină
Paralele
În curent În tensiune În sarcină
În tensiune şi sarcină
lente rapide
- utilizarea codurilor de intrare cu schimbarea unui singur bit la trecerea prin valori
succesive (de exemplu cod termometric);
- utilizarea unor circuite de urmărire şi memorare analogică;
- filtrare analogică.
Zgomotul este sursa de instabilitate în funcţionarea unui convertor presupus corect
proiectat şi constă în suprapunerea peste mărimea analogică utilă a unei mărimi cu variaţie
aleatoare sau deterministă. Zgomotul poate fi intern datorită componentelor electronice sau
extern datorită cuplajelor electrostatice, electromagnetice sau regimurilor tranzitorii.
Convertoarele numeric–analogice pot fi clasificate în funcţie de modul de funcţionare
şi de tipul de comunicaţie. O astfel de clasificare poate fi făcută conform figurii 3.8.
Deasemenea convertoarele numeric analogice pot fi clasificate în funcţie de principiul
de construcţie. În funcţie de acesta rezultă şi diferitele avantaje dar şi dezavantajele inerente.
Pentru o bună alegere a convertoarelor numeric analogice trebuie cunoscute atât avantajele cât
şi dezavantajele diferitelor principii constructive prezentate în continuare.
.
.
.
VREF
R2N-1
R2N-2
R0
V2N-1
V2N-2
V1
V0
b0
0b
1b
b0
b1
…
…0b
N 1b
bN-1
VOUT
Fig. 3.9. CNA cu scalarea tensiunii
3.6. Convertor numeric analogic cu scalarea tensiunii.
Idea de bază este obţinerea valorii de ieşire prin selectarea unui nivel de tensiune
corespunzător valorii binare a codului de intrare. Schema de principiu a unui astfel de
convertor numeric analogic de N biţi este prezentată în figura 3.9.
Scalarea tensiunii se realizează prin convertirea tensiunii de referinţă într-un set de 2N
tensiuni care sunt conectate la o ieşire în funcţie de valoarea codului binar de intrare. Această
conectare a unui singur nivel de tensiune la ieşire se face cu ajutorul unui codor. Pentru
obţinerea nivelurilor de tensiune se foloseşte o conectare în serie a mai multor rezistenţe
egale conectate între tensiunea de referinţă şi masă. Presupunând că dorim realizarea unui
convertor numeric analogic pe N biţi vom avea:
D=∑i=0
N−1
bi2i
şi presupunând că toate rezistenţele din divizorul rezistiv sunt perfect egale
R0=R1=. ..=R2N−1
=R , tensiunea de ieşire devine:
vout=V i|i=D=DR
2N RV ref=
V ref2N
∑i=0
N
bi2i
(Buffer)
-+
Vout
R
R
R
R
R
R
R
R
b3
b2
b1
b2
Fig.3.10. Structura CNA folosind comutatoare MOS
VREF
b3
b3
b3
b1b2
b2
b3
b3
b3
b3
În acest caz sunt necesare 2N rezistenţe şi 2N+1-2 comutatoare de obicei realizate cu
tranzistoare MOS. Structura unui convertor numeric analogic folosind direct comutatoare
MOS fără folosirea unui circuit logic de codare este prezentat în figura 3.10.
Principalele avantaje ale unei astfel de structuri sunt:
- simplitate constructivă;
- sunt monotone;
- sunt foarte rapide depinzând doar de viteza de comutare a tranzistoarelor MOS sau a
părţilor de transfer utilizate;
- implementarea pe o arie mică a circuitelor de conversie numeric analogică cu mai
puţin de 8 biţi.
VREF
R2N-1
R0
V2N-1
V1
V0
VOUT
Fig. 3.11.
R1
S0
S1
S2N-1
DecodorN la 2N
D
N bit
Dezavantaje:
- acurateţea şi INL depind de împerecherea rezistenţelor din reţea ;
- cu creşterea numărului de biţi aria de implementare a circuitului creşte foarte mult;
- întârzierea produsă de comutatoarele reţelei este principala limitare a vitezei de
lucru;
- în aplicaţiile de mare viteză performanţele sunt de asemenea limitate de
amplificatorul operaţional folosit ca buffer de ieşire.
O altă variantă în care se folosesc mai puţine comutatoare este aceea în care se
foloseşte un decodor logic cu N intrări şi 2N ieşiri încât pentru orice cod de intrare
să fie activ comutatorul ce scoate la ieşire o tensiune
vout=V i|i=DStructura de principiu a unui astfel de convertor este prezentată în figura 3.11.
Fig. 3.12 CNA cu rezistenţe ponderate binar
… …
-VREF
-AO
+
R1
Ie
Ve
KN
2N·R
bN
IN
Kk
2k·R
bk
Ik
K2
22·R
b2
I2
K1
21·R
b1
I1
Astfel un singur comutator este conectat între fiecare nod al reţelei rezistive şi ieşire.
Prin aceasta se reduce rezistenţa comutatoarelor la cea a comutatorului din fiecare nod. Acest
tip de convertor necesită un număr mai mic de comutatoare dar pe total aria de integrare nu
scade datorită complexităţii decodorului.
Pentru reducerea numărului de comutatoare şi reducerea complexităţii circuitului de
decodare se poate folosi o schemă de decodare pe linii si coloane care implică folosirea a
două decodoare dar de complexitate mult mai mică.
3.7 Convertor numeric analogic cu rezistenţe de valori
ponderate binar.
Structura unui astfel de convertor este prezentată în figura 3.12. şi cuprinde N
comutatoare comandate de secvenţa de intrare bk , k = 1, 2, ... N şi N rezistenţe de valori
ponderate binar.
Se ştie că rezistenţa de intrare a unui amplificator operaţional AO este foarte mare
rezultând astfel că valoarea curentului corespunzător intrării inversoare a acestuia poate fi
neglijată, adică:
astfel că intrarea inversoare (-) a AO este virtual conectată la masă deoarece între
aceasta şi intrarea neinversoare (+) care este conectată la masă nu există circulaţie de curent
Fig. 4.16
deci nu există cădere de tensiune. Toate rezistenţele cu valoarea 2k⋅R pot fi conectate la masă
sau la intrarea inversoare a AO prin comutatoarele Kk.
Comutatoarele Kk sunt comandate de valoarea binară a biţilor bk astfel:
Rezistenţele sunt conectate la aceeaşi tensiune -VREF şi fiecare va fi parcursă de un
curent în funcţie de valoarea acestora şi valoarea bitului bk din secvenţa de intrare. Rezultă
astfel curenţii Ik , k =1, 2, ... , N corespunzători biţilor bk din secvenţa de intrare, conform
relaţiei:
Curentul de ieşire Ie se obţine prin însumarea curenţilor de pe fiecare ramură (curenţi
cu valori ponderate binar), adică:
Pe baza relaţiilor acestor relaţii rezultă:
Amplificatorul operaţional de la ieşire are rolul de a converti curentul de ieşire I e într-o
tensiune de ieşire Ve considerând I−≃0 , deci:
Se obţine astfel funcţia de transfer a CNA cu rezistenţe ponderate binar:
CNA cu reţea de rezistenţe cu valori ponderate binar este o variantă constructivă
simplă, dar necesită o gamă largă de valori pentru rezistenţele din reţea (1... 2N-1 ), dificil de
Fig. 3.13.
…
…-VREF
-AO
+
R1
Ie
Ve
KN
2R
bN
IN
Kk
2R
bk
Ik
K2
2R
b2
I2
K1
2R
b1
I1
…
…
R R R 2R
IR
I1 I2
I1 I2
Ik
IN
IN
IN-1
realizat în condiţii de precizie ridicată. De asemenea, rezultă valori mici de rezistenţe
corespunzătoare biţilor mai puţin semnificativi ai CNA, cu consecinţa creşterii erorilor
datorate rezistenţelor comutatoarelor în stare de conducţie.
Principalul avantaj ale acestei structuri este numărul mic de rezistenţe şi de
comutatoare. Acest avantaj este real numai in condiţiile în care rezistenţele se pot realiza cu
precizie foarte ridicata. Datorită faptului că raportul rezistenţelor sunt în raport de până la 2N
apar probleme la realizarea acestora , convertorul fiind foarte sensibil la erorile de realizare a
rezistenţelor .
Acest lucru duce la alterarea monotoniei circuitului ,adică păstrarea DNL<1LSB.
Un alt dezavantaj important al acestei structuri este apariţia glitch-urilor atunci când
convertorul lucrează la viteze mari, deoarece comutându-se curenţi de valori diferite apar
timpi de comutare diferiţi .O soluţie pentru reducerea glith-urilor poate fii folosirea unei
structuri cu cod termometric de comandă.
3.8 Convertor numeric analogic cu reţea de rezistenţe de tipul
R-2R.
Structura acestui convertor este prezentată în figura 3.13. şi cuprinde o reţea de
rezistenţe ale căror valori sunt R şi 2R.
2R 2R 2R 2R
2RR
2R
R R R
IIN-k I
- VREF
Fig.3.14. Reţea R-2R
2R
2RIN IN
Fig. 3.15.
echivI
2R 2RR R
2R 2R
RIN-1
2R
IN-1
2R
IN
2R
IN
R
Fig. 3.16.
echivI
2R 2RR R
2R 2R
Indiferent de poziţia comutatoarelor Kk toate rezistenţele sunt conectate fizic sau
virtual la masa circuitului. Având în vedere această situaţie reţeaua R – 2R poate fi echivalată
cu circuitul din figura 3.14.
Se determină rezistenţa echivalentă a reţelei plecând de la sfârşitul acesteia. Astfel
pentru tronsonul marcat cu I în fig. 3.15 rezultă schema şi rezistenţa echivalentă:
Continuând cu tronsonul marcat cu II şi ţinând seama de rezistenţa echivalentă a
tronsonului I se obţine:
Se observă astfel că oricâte grupuri R – 2R se adaugă reţelei rezistenţa
echivalentă a acesteia va fi R. Atunci sursa de tensiune -VREF are o sarcină de valoare R
rezultând deasemenea curentul de referinţă:
Se observă că la fiecare grup R–2R cele două ramuri sunt identice din punct de vedere
rezistiv deci vor fi parcurse de curenţi identici (Ik pentru grupul de ordinul k) şi analizând
curenţii dinspre sursa de referinţă -VREF se observă că:
Ir=2·I1I1=Ir/2
I1=2·I2I2=I1/2=Ir/22
I2=2·I3I3=I2/2=Ir/23
…
Ik=Ir/2k
Curentul la ieşire Ie al reţelei este dat de suma curenţilor Ik corespunzători
comutatoarelor Kk putându-se scrie:
Ţinând seama de expresia curentului Ik se obţine:
Rezultă astfel:
În marea majoritate a aplicaţiilor codul binar natural (CBN) trebuie convertit într-o
tensiunede ieşire Ve şi acest lucru îl realizează amplificatorul operaţional AO pentru care dacă
se neglijează curentul pe intrarea inversoare rezultă:
Convertoarele numeric-analogice cu reţea de rezistenţe de tipul R-2R prezintă
avantajul folosirii unui număr mic de rezistenţe având doar două valori R şi 2R ce pot fii
realizate uşor în condiţii de precizie ridicată şi care pot fii dimensionate astfel încât să fie mult
mai mari decât rezistenţele comutatoarelor aflate în conducţie , astfel încât influenţa
+
-AO
R1
IoutVout
R
KN
I0
bN
R
2R
R
2R
R R
2R2R
RF
KN-1
I0
bN-1
KN-2
I0
bN-2
K1
I0
b1
-VsFig 3.17.
rezistenţei acestora să fie neglijabila. Un dezavantaj important al acestei scheme este faptul ca
cele N comutatoare analogice sunt parcurse de curenţi diferiţi.
Convertoarele numeric analogice cu reţea R-2R cu comandă în tensiune prezentate
anterior sunt simple şi ieftine dar au o liniaritate relativ redusă .Un comutator analogic realizat
de regulă cu porţi de transfer CMOS prezintă o rezistenta RON variabilă cu tensiunea aplicată
pe traseul drena-sursa a tranzistorului MOS cu atât mai mare cu cât aceasta se apropie de
potenţialul porţii. Rezistenţele comutatoarelor se însumează cu cele ale reţelei cauzând erori
de liniaritate prin modificarea factorilor de divizare de la o celula la alta.
Reţelele rezistive de tipul R-2R pot fii comandate direct în curent folosind generatoare
de curent comutate. Schema de principiu a unui astfel de convertor numeric-analogic este
prezentată în figura 3.17.
Comutatoarele K N introduc în circuit generatoarele identice de curent I 0 .
Considerând închis doar comutatorul Kk (k=1,2,......N) curentul se împarte în trei parţi egale,
deoarece rezistenţele echivalente ale celor trei ramuri ce se întâlnesc în nodul k au rezistenţa
egală cu 2R.
Treimea curentului care circulă spre nodurile cu rang mai mare (spre ieşire) este cea
care produce efect asupra ieşirii. Această componentă se divide cu 2 la fiecare nod întâlnit ,
numărul total de noduri fiind k-1. Aşadar efectul închiderii comutatorului Ki este generarea la
ieşire a unui curent
I out=I 0
31
2k−1
Reţea capacitivă VoutVREF
Cod numeric
Fig. 3.18.
Aplicând principiul superpoziţiei , curentul de ieşire pentru un cuvânt de intrare
oarecare este :
Valoarea tensiunii de ieşire va fi :
Această structură are următoarele avantaje :
- curenţii ce circulă prin comutatoarele analogice sunt egali
- nu necesită realizarea de dispozitive de diferite valori , ceea ce reduce aria de
integrare.
Ca şi principale dezavantaje amintim:
- necesită o buna împerechere a rezistenţelor şi surselor de curent
- posibilitatea apariţiei glitch-urilor
- au viteza de lucru redusă deoarece nodurile reţelei comută între valori diferite de
tensiune rezultând timpi mari de stabilizare .
3.9 Convertoare numeric-analogice capacvitive
Principiul general de funcţionare al unui astfel de convertor numeric–analogic este
prezentat în fig. 3.18
VREF +-Vout
+
-Fig. 3.19.
C1
C2
Acest convertor se bazează în principiu pe divizarea capacitivă a unei tensiuni de
referinţă, divizare ce se realizează cu o reţea capacitivă comandată de biţii cuvântului de
comandă. Pentru un circuit precum cel din fig. 3.19.
valoarea tensiuni de ieşire Vout este dată de relaţia:
Acest tip de convertor are ca avantaj faptul că este insensibil la offsetul de intrare al
amplificatorului operaţional de ieşire precum şi la zgomotul de tipul 1/f.
Ca principale dezavantaje amintim:
- împerechera grea a condensatoarelor,
- influenţa rezistenţei în conducţie RON a comutatoarelor analogice,
- banda de frecvenţă limitată
În funcţie de tipul reţelei de condensatoare folosite, avem diferite tipuri de convertoare
numeric analogice.
3.10 Convertor numeric-analogic cu amplificator de sarcină
Acest tip de convertor foloseşte tot o reţea de condensatoare cu valori ponderate binar
care se află în circuitul de reacţie al unui amplificator operaţional, având schema dată în
fig.3.20.
+
-
AOVout
K1
C/2
b1
K2
C/4
b2
K3
C/8
b3
KN
C/2N
bN
VREF
Fig 3.20
CF
K
Pentru funcţionarea corectă a circuitului trebuie mai întâi descărcate toate capacităţile.
Acest lucru este posibil prin trecerea tuturor comutatoarelor comandate de biţii bK pe poziţia
corespunzătoare bK = 0 (la masă) şi închiderea comutatorului K.
Având în vedere faptul că nu există nici un nod de circuit flotant, se asigură o mai
bună imunitate faţă de semnalele parazite, precum şi o viteză mai mare de lucru. Folosirea
amplificatorului operaţional duce deasemenea la eliminarea condensatorului terminal.
Pentru o descărcare a condensatoarelor indiferent de poziţia comutatoarelor comandate
de bK, în paralel cu acestea şi comandate împreună cu K se realizează câte un comutator care
conectează condensatoarele la masă.
Principalul avantaj al acestor convertoare este precizia şi viteza de lucru.
Recommended