Realizacje układów techniki cyfrowej

Przetworniki analogowo-cyfrowe, czyli konwertery A/C albo konwertery D/A (ang. Digital to Analog Converters), służą do zamiany wartości analogowej napięcia na słowo binarne reprezentujące w ustalonym kodzie numerycznym wartość napięcia wejściowego. Mówimy, że konwerter jest n-bitowy, jeśli słowo wyjściowe konwertera jest n-bitowe.

Konwertery A/C znajdują zastosowanie w komputerowych systemach pomiarowych, cyfrowym przetwarzaniu sygnałów, sprzęcie audio i automatyce.

Koncepcyjnie najprostszym przetwornikiem A/C jest układ z bezpośrednim porównaniem nazywany również konwerterem typu flash. Układy tego typu należą do najszybszych. Typowy czas konwersji dla takiego układu jest rzędu 10 ns. Zasada działania jest następująca: Załóżmy dla uproszczenia, że napięcie wejściowe U_we jest nieujemne i mniejsze równe od napięcia referencyjnego. Napięcie wejściowe podawane jest na układ 2ⁿ komparatorów i porównywane równolegle z pośrednimi napięciami wzorcowymi

$U_{ref, k} = \frac{1}{2}\cdot \frac{*_{ref}}{2^n} + k \frac{U_{ref}}{2^n}$

uzyskanymi z dzielnika oporowego. Na wyjściu układu komparatorów analogowych pojawia się słowo kodowe 2ⁿ bitowego kodu temperaturowego, które translator kodu zamienia na odpowiadające mu słowo n-bitowe w kodzie NKB.

Rys. 6. Układ konwertera typu flash

Bardzo popularnym i często stosowanym konwerterem jest tzw. konwerter A/C z sukcesywną aproksymacją nazywany również konwerterem z porównaniem sukcesywnym. Schemat układu pokazany jest na rys. 7a). Układ przeprowadza konwersję napięcia U_we w n krokach (w n taktach zegara), gdzie n jest liczbą bitów konwertera. Najpierw w rejestrze SAR ustawiane jest n-bitowe słowo 1000...0 czyli a_n1  1 i a_k  0 dla k  0,1,..., n  2 , a następnie wynik konwersji C/A tego słowa porównywany jest z napięciem wejściowym U_we . Jeśli słowo binarne jest za małe (tzn. konwersja na wartość analogową daje napięcie mniejsze od U_we ), to pozostawiamy 1 na pozycji a_n1 na stałe (tzn. przyjmujemy a_n1  1), w przeciwnym razie ustawiamy na stałe a_n1  0 . Podobnie postępujemy z kolejnym bitem a_n2 . Podstawiamy a_n2  1 i sprawdzamy wynik konwersji słowa 11000...0 ustawiając zależnie od wyniku porównania bit a_n2 . Przebieg napięcia na wyjściu konwertera C/A wchodzącego w skład konwertera A/C z sukcesywną aproksymacją pokazany jest na rys. 7b). Po n taktach zegara wszystkie bity słowa a_n1a_n2 ...a₀ są już prawidłowo ustawione.

a)

b)

Rys. 7. a) Konwerter A/C z sukcesywną aproksymacją; b) Przebieg napięcia na wyjściu konwertera C/A

Warto jeszcze wspomnieć o tzw. konwerterach   . Są to układy osiągające dokładności przekraczające 20 bitów, doskonale nadające się do scalenia.

Istnieje dużo rozmaitego typu układów konwerterów. Zainteresowanych tym tematem odsyłamy do literatury [5]. Niektóre mikroprocesory jednoukładowe (mikrokontrolery) i mikroprocesory sygnałowe wyposażone są we własne przetworniki A/C (i niekiedy C/A umieszczone wewnątrz układu scalonego mikroprocesora.

Rys. 8. Najprostszy układ konwertera A/C z licznikiem modulo 2ⁿ

Układ przetwornika A/C na ogół współpracuje z układem próbkująco-pamiętającym (por. rys. 9.)

Rys. 9. Współpraca układu S/H z konwerterem A/C