---

DAC prevodníky sú neoddeliteľnou súčasťou mnohých elektronických zariadení, ako sú zvukové zariadenia, telekomunikačné zariadenia a riadiace systémy, kde je potrebné konvertovať digitálne signály na analógové formy. Keď hovoríme o signáloch, môžeme ich všeobecne rozdeliť na analógové a digitálne signály. Všetka digitálna elektronika, ako sú logické hradlá, flip-flopy, mikrokontroléry, mikroprocesory atď., pracuje s digitálnymi signálmi, zatiaľ čo analógová elektronika, ako sú optické zosilňovače, výkonové spínače atď. V typickom návrhu elektroniky sa tieto dva signály často musia konvertovať z jednej formy na druhú. Už sme sa naučili, ako sa analógovo-digitálne prevodníky (ADC) používajú na prevod analógových signálov na digitálnu hodnotu. V tomto článku sa dozvieme, ako možno digitálne signály previesť na analógové napätie pomocou D/A prevodníkov.

Čo je digitálno-analógový prevodník?

Digitálno-analógový prevodník bežne označovaný ako DAC, D/A alebo D2A je zariadenie, ktoré prevádza binárne hodnoty (0 a 1) na súbor spojitých analógových napätí. Existuje mnoho techník, ktorými sa to vykonáva, pričom každá z nich má svoje výhody a nevýhody. V tomto článku sa dozvieme, ako D/A prevodník funguje a ako ho možno použiť v projektoch.

Kde potrebujeme DAC?

Počítač je binárny stroj pracujúci v analógovom svete, takže na to, aby bol schopný vytvoriť výstup zrozumiteľný pre iné zariadenia, sa používa DAC. Napríklad počítač ukladá zvuk vo forme binárnych hodnôt zvukovej vlny. Aby sme ich mohli prehrať ako zvuk na reproduktore, potrebujeme analógové signály, pretože ako vieme, membrána reproduktora sa rozkmitá na základe intenzity analógového signálu, aby vytvorila zvuk/hudbu. Takže tu použijeme DAC na prevod digitálneho zvukového súboru na analógový signál, aby sme ho mohli prehrať na reproduktore.

Práca s prevodníkom DAC

Binárna sústava je pozičná sústava, t. j. sústava s hodnotou miesta, pričom každý bit predstavuje prítomnosť alebo neprítomnosť určitej mocniny dvoch v celkovom súčte mocnín. Inými slovami, celý proces digitálno-analógovej konverzie si možno predstaviť ako škálovaciu operáciu - binárny počet je mapovaný na určitý rozsah napätia, pričom 0 V je minimum a maximálne napätie je maximálne vstupné binárne napätie.

Typy prevodníkov DAC

1. Sumarizačný zosilňovač

Keďže digitálno-analógový prevod je jednoducho vážený súčet binárnych vstupov, používa sa obvod nazývaný sumarizačný zosilňovač. Ide v podstate o operačný zosilňovač s viacerými rezistormi pripojenými k jednému vstupu. Spoj, kde sa rezistory stretávajú, sa nazýva sumarizačný spoj alebo virtuálna zem. Binárny vstup ide do rezistorov a analógový výstup sa získa na výstupe operačného zosilňovača.

To, vďaka čomu tento obvod funguje, sú rezistory - každý rezistor musí byť starostlivo vybraný a zladený, aby sa získal presný analógový výstup. Čím viac bitov máte, tým viac rôznych hodnôt rezistorov potrebujete - a to nie je vždy praktické. Obmedzenia sa dajú prekonať použitím ďalšej metódy.

2. Rebrík R-2R

Toto je najjednoduchší typ prevodníka DAC a potrebuje iba dve hodnoty rezistorov usporiadané do rebríka. Môžete si to predstaviť ako trochu zložitejší delič napätia, hoci matematika je pomerne zložitá. Binárny vstup ide do rezistorov 2R a výstup sa získa v dolnej časti rebríka.

3. PWM DAC

Tento typ D/A prevodníka väčšina z nás používa bez toho, aby o tom vedela! Obľúbený mikrokontrolér Arduino má možnosť výstupu analógových signálov pomocou signálu PWM. Na začiatku vyzerá signál PWM ako binárny priebeh len s vysokými a nízkymi špičkami s premenlivým pracovným cyklom (pomer zapnutého času k časovej perióde).

Je však určený na použitie s RC filtrom na prevod signálu PWM na hodnotu napätia odfiltrovaním striedavej zložky a ponechaním jednosmernej zložky. Výstupné napätie je úmerné pracovnému cyklu vstupu - čím vyšší je pracovný cyklus, tým väčšie je výstupné napätie filtra.

Aplikácie prevodníkov DAC

1. Spracovanie digitálnych signálov

So signálmi sa oveľa ľahšie pracuje, keď sa prevedú na binárny tvar. Dobrým príkladom je úprava zvuku. Zvuk sa prevedie na binárnu sústavu, po ktorej sa s ním môžu vykonávať operácie. Na prehrávanie tohto zvuku sa používa prevodník DAC, ktorý ho prevádza na zvukový signál, ktorý sa dá prehrať na reproduktore.

2. Digitálne napájacie zdroje

Väčšina mikrokontrolérov je príliš pomalá na to, aby bola súčasťou regulačnej slučky napájania. Aby sa zmenilo napätie alebo prúd napájacieho zdroja, môže sa zmeniť referencia. To sa dá urobiť pripojením D/A prevodníka k výstupu mikrokontroléra a jeho použitím na zmenu referenčného napätia na vopred zvolenú hodnotu.

Nevýhody systému DACS

1. Presnosť - D/A prevodníky dokážu vytvoriť len toľko krokov napätia, koľko dovolí binárne číslo, inými slovami, je takmer nemožné vytvoriť skutočne spojité hodnoty napätia.
2. Zložitosť - Väčšina uvedených obvodov DAC potrebuje niekoľko súčiastok a to nemusí byť vždy praktické. K dispozícii sú však diskrétne čipy DAC, ktoré môžu komunikovať s mikrokontrolérom prostredníctvom SPI a I2C.

Ako používať DAC?

D/A prevodníky sú k dispozícii ako samostatné integrované obvody alebo dokonca ako vstavané do mikrokontroléra. Najčastejšie sa však používajú tie, ktoré sú k dispozícii ako samostatný integrovaný obvod. Najčastejšie sa používajú prevodníky DAC7715, DAC0832, DAC0808 atď.

Výpočty spojené s DAC

Kalkulačky pre výpočet Offset Error, Gain Error a INL sú navrhnuté tak, aby boli užívateľsky prívetivé a poskytovali presné výsledky. Používatelia môžu zadať potrebné údaje a okamžite získať výpočty, ktoré im pomôžu analyzovať a zlepšiť výkon ich DAC. Kalkulačky sú implementované v stránke a sú jednoduché pre použitie v akomkoľvek webovom prehliadači.

Tieto kalkulačky sú užitočné nástroje pre inžinierov a technikov, ktorí pracujú s DAC a potrebujú presne merať a optimalizovať parametre svojich zariadení. Pomáhajú identifikovať a minimalizovať chyby, čím zaisťujú vyššiu presnosť a spoľahlivosť v rôznych aplikáciách, od jednoduchých senzorových systémov po komplexné komunikačné a riadiace systémy.

Výstupné napätie DAC

Výstupné napätie DAC je výsledný analógový signál, ktorý DAC generuje na základe digitálneho vstupného kódu. Tento výstup je kľúčový pre rôzne aplikácie, kde je potrebná presná konverzia digitálnych dát na analógové signály.

Základný princíp

DAC konvertuje binárny digitálny kód na odpovedajúce analógové napätie. Každá hodnota digitálneho vstupu je mapovaná na určitú úroveň výstupného napätia, pričom celkový rozsah napätia je rozdelený na počet krokov definovaných rozlíšením DAC. Výstupné napätie môže byť jednosmerné (DC) alebo striedavé (AC), v závislosti od konštrukcie DAC a jeho aplikácie.

Základný vzorec pre výpočet výstupného napätia DAC je:

$V_{OUT} = \frac{D}{2^n} \times V_{REF}$

Kde:

• V_OUT​ je výstupné napätie DAC.
• D toto je hodnota, ktorú posielate do DAC. Pre 8-bitový DAC sa táto hodnota pohybuje od 0 do 255.
• n toto je rozlíšenie DAC, ktoré určuje počet možných výstupných hodnôt.
• V_REF​ toto je maximálne napätie, ktoré DAC môže vyprodukovať

Význam výstupného napätia

• Presnosť: Presné výstupné napätie je kritické pre aplikácie, kde sú dôležité malé zmeny v signáli. To zahŕňa napríklad meracie prístroje, zvukové systémy a riadiace systémy.
• Rozsah: Rozsah výstupného napätia definuje maximálnu a minimálnu hodnotu napätia, ktoré DAC môže generovať. Tento rozsah musí byť prispôsobený požiadavkám aplikácie.
• Referenčné Napätie: Referenčné napätie je základom pre výpočet výstupného napätia. Stabilita a presnosť referenčného napätia priamo ovplyvňuje výstupný signál.

Výstupné napätie DAC

Rozlíšenie DAC

Rozlíšenie DAC určuje najmenší krok napätia, ktorý môže DAC produkovať. Je to hodnota, o ktorú sa zmení výstupné napätie pri zmene digitálnej vstupnej hodnoty o jeden bit. Rozlíšenie DAC je jedným z najdôležitejších parametrov, ktoré určujú schopnosť DAC presne prevádzať digitálne hodnoty na analógové signály. Rozlíšenie udáva počet jedinečných výstupných úrovní, ktoré DAC dokáže generovať, a je priamo spojené s počtom bitov digitálneho vstupu.

Čo je Rozlíšenie DAC?

Rozlíšenie DAC sa obvykle vyjadruje v bitoch. Každý bit pridaný do rozlíšenia zdvojnásobuje počet možných výstupných úrovní. Napríklad, DAC s rozlíšením 8 bitov môže generovať 256 (2⁸) rôznych úrovní napätia, zatiaľ čo DAC s rozlíšením 16 bitov môže generovať až 65 536 (2¹⁶) úrovní.

Vyššie rozlíšenie znamená jemnejšie kroky medzi jednotlivými výstupnými úrovňami, čo vedie k presnejšiemu a detailnejšiemu analógovému výstupu. To je obzvlášť dôležité v aplikáciách, kde sú malé zmeny v signáli kritické, ako napríklad v audio zariadeniach, meracích prístrojoch a precíznych regulačných systémoch.

Význam Rozlíšenia

• Jemnosť výstupu: Vyššie rozlíšenie umožňuje jemnejšie kroky medzi jednotlivými výstupnými úrovňami, čo znamená presnejší analógový signál.
• Presnosť: Rozlíšenie priamo ovplyvňuje presnosť DAC. Vyššie rozlíšenie zlepšuje schopnosť DAC presne reprezentovať malý digitálny vstupný signál.
• Kvalita signálu: V aplikáciách, ako sú digitálne audio systémy, vyššie rozlíšenie prispieva k lepšej kvalite zvuku tým, že minimalizuje šum a kvantizačné chyby.

Praktické dôsledky

Pri výbere DAC je dôležité zvážiť požiadavky konkrétnej aplikácie na rozlíšenie. Pre aplikácie, kde je kritická presnosť a jemnosť signálu, je potrebné zvoliť DAC s vyšším rozlíšením. Na druhej strane, aplikácie, kde je dôležitá rýchlosť a nie je nutná extrémna presnosť, môžu využiť DAC s nižším rozlíšením.

Rozlíšenie DAC je definované ako najmenšia zmena vo výstupnom napätí, ktorá môže byť spôsobená zmenou najmenej významného bitu (LSB) na digitálnom vstupe. Vzorec na výpočet rozlíšenia je:

$\text{Rozlíšenie} = \frac{V_{REF}}{2^n}$

Rozlíšenie DAC

Celková presnosť DAC

Výpočet celkovej presnosti DAC zahŕňa niekoľko faktorov vrátane:

1. Rozlíšenie (Resolution): Najmenšia zmena vo výstupnom napätí, ktorú DAC môže generovať.
2. Integral Non-Linearity (INL): Maximálna odchýlka skutočného výstupu od ideálnej výstupnej krivky.
3. Differential Non-Linearity (DNL): Rozdiel medzi skutočnou zmenou výstupu a očakávanou zmenou pri inkrementácii digitálneho vstupu o jeden LSB.
4. Offset Error: Rozdiel medzi skutočným výstupom a očakávaným výstupom pri nulovej digitálnej vstupnej hodnote.
5. Gain Error: Odchýlka skutočného zisku DAC od ideálneho zisku.

Na základe týchto parametrov môžeme vypočítať celkovú presnosť DAC. Pre jednoduchý výpočet môžeme zanedbať niektoré menšie chyby a sústrediť sa na hlavné faktory: rozlíšenie, INL a offset error.

Výpočet Celkovej Presnosti

Celkovo sa presnosť DAC môže vypočítať ako súčet všetkých chýb:

Presnosť = Rozlíšenie + INL + Offset Error

Celková presnosť DAC

Ladder Accuracy a Integral Non-Linearity (INL)

Sú dôležité parametre, ktoré určujú presnosť a kvalitu DAC (Digital-to-Analog Converter). Tu sú podrobnejšie informácie a vzorce pre tieto parametre:

Ladder Accuracy

Ladder Accuracy sa týka presnosti rezistorového reťazca v DAC, ktorý určuje výstupné napätie. Toto je zvyčajne zahrnuté do INL.

Integral Non-Linearity (INL)

Integral Non-Linearity (INL) je definovaná ako maximálna odchýlka medzi skutočnou výstupnou hodnotou DAC a ideálnou hodnotou, ktorá by mala byť vygenerovaná pre daný digitálny vstupný kód. INL je často špecifikovaná v LSB (Least Significant Bit) alebo ako percento z celého rozsahu.

Ladder Accuracy a INL v kontexte DAC

Pri navrhovaní a používaní DAC je dôležité zvážiť, že INL a Ladder Accuracy sú kritické pre zabezpečenie správnej konverzie digitálnych hodnôt na analógové signály. INL by mala byť čo najmenšia, aby bola zabezpečená vysoká presnosť DAC. Ladder Accuracy sa týka hlavne presnosti rezistorov použitých v DAC, ktoré určujú jeho výstupné napätie.

V prípade, že je potrebné zvážiť aj Ladder Accuracy a ďalšie parametre pre komplexnejší výpočet presnosti DAC, zvyčajne je nutné získať tieto údaje z datasheetu DAC a prispôsobiť výpočty konkrétnemu typu prevodníka.

$\text{INL} = \left| V_{\text{actual}} - V_{\text{ideal}} \right|$

Ladder Accuracy a Integral Non-Linearity (INL)

Offset Error a Gain Error

Offset Error

Offset Error predstavuje rozdiel medzi skutočným a ideálnym výstupom DAC, keď digitálny vstup je na minimálnej hodnote. Tento parameter je kľúčový v aplikáciách, kde je dôležité presné nulové napätie. Kalkulačka pre výpočet Offset Error umožňuje používateľovi zadať skutočné a ideálne napätie pri nulovom digitálnom vstupe a vypočítať rozdiel medzi týmito hodnotami.

$\text{Offset Error} = V_{\text{actual}}(0) - V_{\text{ideal}}(0)$

Gain Error

Gain Error určuje rozdiel medzi skutočným a ideálnym ziskom DAC. Tento parameter zohľadňuje odchýlky v zisku, ktoré môžu byť spôsobené rôznymi faktormi, ako sú tolerancie komponentov alebo chyby v návrhu. Kalkulačka pre Gain Error umožňuje používateľovi zadať skutočné a ideálne maximálne napätie a vypočítať odchýlku zisku, čo je dôležité pre zabezpečenie celkovej presnosti konverzie.

$\text{Gain Error} = \left( \frac{V_{\text{actual}}(max) - V_{\text{actual}}(0)}{V_{\text{ideal}}(max) - V_{\text{ideal}}(0)} \right) - 1$

Offset Error a Gain Error

Záver

D/A prevodníky tvoria dôležité spojenie medzi analógovým a digitálnym svetom a umožňujú počítačom komunikovať so zariadeniami, ktoré zvyčajne používajú analógové signály, prevodom binárneho počtu na proporcionálnu diskrétnu úroveň napätia.

---

---

---