À Convertisseur numérique analogique ( Dace , D / A , D2A , ou D à A ) est un circuit conçu pour convertir un signal d'entrée numérique en un signal de sortie analogique. Le convertisseur analogique-numérique (ADC) fonctionne dans le sens inverse et transforme un signal d'entrée analogique en une sortie numérique.
Dans cet article, nous discutons en détail du fonctionnement des circuits de conversion numérique-analogique et analogique-numérique, à l'aide de schémas et de formules.
En électronique, nous pouvons trouver des tensions et des courants variant continuellement avec différentes plages et amplitudes.
Dans les circuits numériques, le signal de tension se présente sous deux formes, soit sous forme de niveaux logiques logiques haut ou logique bas, qui représentent des valeurs binaires de 1 ou 0.
Dans un convertisseur analogique-numérique (ADC), le signal analogique d'entrée est représenté sous la forme d'une grandeur numérique, tandis qu'un convertisseur numérique-analogique (DAC) convertit la grandeur numérique en un signal analogique.
Fonctionnement des convertisseurs numérique-analogique
Le processus de conversion numérique-analogique peut être effectué par de nombreuses techniques différentes.
Un procédé bien connu utilise un réseau de résistances, appelé réseau en échelle.
Un réseau à relais est conçu pour accepter des entrées impliquant des valeurs binaires typiquement à 0 V ou Vref et délivre une tension de sortie équivalente à l'amplitude de l'entrée binaire.
La figure ci-dessous montre un réseau en échelle utilisant 4 tensions d'entrée, qui représentent 4 bits de données numériques et une sortie de tension continue.
La tension de sortie est proportionnelle à la valeur d'entrée numérique exprimée par l'équation:
En résolvant l'exemple ci-dessus, nous obtenons la tension de sortie suivante:
Comme on le voit, une entrée numérique de 0110deuxest converti en une sortie analogique de 6 V.
Le but du réseau en échelle est de changer les 16 grandeurs binaires potentielles
de 0000 à 1111 dans l'une des 16 quantités de tension à des intervalles de Vréf/ 16.
Par conséquent, il peut être possible de traiter plus d'entrées binaires en incluant plus de nombre d'unités d'échelle et d'accomplir une quantification plus élevée pour chaque étape.
Cela signifie, supposons que si nous utilisons un réseau à 10 échelons, cela permettra d'augmenter la quantité de pas de tension ou la résolution à Vréf/deuxdixou Vréf/ 1024. Dans ce cas, si on utilise une tension de référence Vréf= 10 V générerait une tension de sortie par incréments de 10 V / 1024, ou à environ 10 mV.
Ainsi, l'ajout d'un plus grand nombre d'étages en échelle nous donnera une résolution proportionnellement plus élevée.
En règle générale, pour n nombre d'échelons, cela peut être représenté par la formule suivante:
Vréf/ deuxn
Schéma de principe du DAC
La figure ci-dessous montre le schéma de principe d'un DAC standard utilisant un réseau ladder, référencé comme ladder R-2R. Ceci peut être vu verrouillé entre la source de courant de référence et les commutateurs de courant.
Les commutateurs de courant sont liés aux commutateurs binaires, produisant un courant de sortie proportionnel à la valeur binaire d'entrée.
Les entrées binaires basculent les jambes respectives de l'échelle, permettant un courant de sortie qui est une somme pondérée de la référence actuelle.
Si nécessaire, des résistances peuvent être attachées aux sorties pour interpréter le résultat comme une sortie analogique.
Comment fonctionnent les convertisseurs analogique-numérique
Jusqu'à présent, nous avons discuté de la façon de convertir des signaux numériques en signaux analogiques, apprenons maintenant à faire le contraire, c'est-à-dire convertir un signal analogique en un signal numérique. Cela peut être mis en œuvre via une méthode bien connue appelée méthode à double pente .
La figure suivante montre le schéma fonctionnel du convertisseur ADC double pente standard.
Ici, un commutateur électronique est utilisé pour transférer le signal d'entrée analogique souhaité à un intégrateur, également appelé générateur de rampe. Ce générateur de rampe peut se présenter sous la forme d'un condensateur chargé d'un courant constant pour générer la rampe linéaire. Cela produit la conversion numérique requise via un étage de comptage qui fonctionne à la fois pour les intervalles de pente positive et négative de l'intégrateur.
La méthode peut être comprise avec la description suivante:
La plage de mesure complète du compteur détermine l'intervalle de temps fixe. Pour cet intervalle, la tension analogique d'entrée appliquée à l'intégrateur fait monter la tension d'entrée du comparateur à un certain niveau positif.
En se référant à la section (b) du diagramme ci-dessus, montre que la tension de l'intégrateur à la fin de l'intervalle de temps fixe est supérieure à la tension d'entrée qui est plus grande en magnitude.
Lorsque l'intervalle de temps fixe se termine, le décompte est mis à 0, ce qui invite le commutateur électronique à connecter l'intégrateur à un niveau de tension d'entrée de référence fixe. Après cela, la sortie de l'intégrateur qui est également l'entrée du condensateur commence à chuter à une vitesse constante.
Pendant cette période, le compteur continue d'avancer, tandis que la sortie de l'intégrateur continue de baisser à vitesse constante, jusqu'à ce qu'elle passe en dessous de la tension de référence du comparateur. Cela provoque le changement d'état de la sortie du comparateur et déclenche l'arrêt de la logique de commande pour arrêter le comptage.
La grandeur numérique stockée à l'intérieur du compteur devient la sortie numérique du convertisseur.
L'utilisation d'une horloge et d'un étage d'intégrateur communs pendant les intervalles de pente positive et négative ajoute une sorte de compensation pour contrôler la dérive de la fréquence d'horloge et la limite de précision de l'intégrateur.
Il peut être possible de mettre à l'échelle la sortie du compteur selon les préférences de l'utilisateur en définissant de manière appropriée la valeur d'entrée de référence et la fréquence d'horloge. Nous pouvons avoir le compteur sous forme binaire, BCD ou dans un autre format numérique, si nécessaire.
Utilisation du réseau à contacts
La méthode de réseau en échelle utilisant des étages de comptage et de comparaison est un autre moyen idéal de mettre en œuvre une conversion analogique-numérique. Dans cette méthode, un compteur commence à compter à partir de zéro, ce qui entraîne un réseau en échelle, générant une tension incrémentielle échelonnée, ressemblant à un escalier (voir la figure ci-dessous).
Le processus permet à la tension d'augmenter à chaque étape de comptage.
Un comparateur surveille cette tension croissante d'escalier et la compare à la tension d'entrée analogique. Dès que le comparateur détecte la tension d'escalier dépassant l'entrée analogique, sa sortie invite à arrêter le comptage.
La valeur du compteur à ce stade devient l'équivalent numérique du signal analogique.
Le niveau de changement de la tension générée par les étapes du signal d'escalier est déterminé par la quantité de bits de comptage utilisés.
Par exemple, un compteur à 12 étages utilisant une référence de 10 V fera fonctionner un réseau à échelle à 10 étages avec des tensions de pas de:
Vréf/deux12= 10 V / 4096 = 2,4 mV
Cela créera une résolution de conversion de 2,4 mV. Le temps nécessaire à l'exécution de la conversion est déterminé par la fréquence d'horloge du compteur.
Si la fréquence d'horloge de 1 MHz est utilisée pour faire fonctionner un compteur à 12 étages, le temps maximum nécessaire pour la conversion serait:
4096 x 1 μs = 4096 μs ≈ 4,1 ms
Le plus petit nombre de conversions possibles par seconde peut être trouvé comme suit:
non. de conversions = 1 / 4,1 ms ≈ 244 conversions / seconde
Facteurs qui influencent le processus de conversion
Étant donné que certaines conversions peuvent exiger plus et d'autres peuvent nécessiter un temps de comptage inférieur, généralement un temps de conversion = 4,1 ms / 2 = 2,05 ms peut être une bonne valeur.
Cela produira un 2 x 244 = 488 nombre de conversions en moyenne.
Une fréquence d'horloge plus lente signifierait moins de conversions par seconde.
Un convertisseur fonctionnant avec un nombre inférieur d'étages de comptage (basse résolution) aurait un taux de conversion plus élevé.
La précision du convertisseur est déterminée par la précision du compartiment.
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