LEZIONI on LINE n° 8

Elettronica

Circuito di ADC e DAC

Per gli alunni della classe 5° di elettronica Istituto Tecnico

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Prerequisiti:

1. simbologia ed utilizzo degli Schemi a Blocchi (SB);
2. rappresentazione dei segnali elettrici
3. lettura dei data sheet

Risorse a disposizione:

1. libro di testo;
2. appunti presi in classe;
3. definizione dello studio autonomo-assistito
4. ricerca su internet

Risorse a disposizione su internet:

http://www.iduesarchiaponi.com/lol-n6-ele5-circuito-sh/

http://www.iduesarchiaponi.com/lezione-a-distanza-n2-5d-convertitori-a-d/

(S&H)    http://www.iduesarchiaponi.com/lol-n6-ele5-circuito-sh/

Definizione:

Un convertitore digitale-analogico (DAC, Digital (to) Analog Converter) è un componente elettronico che converte un segnale digitale in un segnale analogico. Un convertitore analogico-digitale (ADC, Analog (to) Digital Converter), è il convertitore che esegue la funzione inversa.

Il DAC fornisce in uscita, un determinato livello di tensione o di corrente, in funzione del valore numerico che viene presentato al suo ingresso. Il loro uso trova larga diffusione nel sistemi di controllo di tipo digitale per una grandezza di tipo analogico.

Le caratteristiche

la risoluzione è legata al numero di bit in uscita poichè un maggior numero di bit permette una qualità più alta, diventa molto importante per le misure di precisione e la riproduzione di brani musicali ad alta fedeltà, troviamo DAC commerciali da 8 bit (256 livelli di tensione) fino ad arrivare a 24 bit di risoluzione (16 Mega livelli di tensione).

All’aumentare della risoluzione corrisponde un maggior numero di elaborazioni per ottenere la tensione d’uscita ed il dispositivo risulterà rallentato.

Strutture circuitali

DAC a rete pesata (resistenze potenza di 2)

Questo tipo di convertitori presenta in uscita una tensione che è proporzionale alla combinazione dei ingressi che sono pilotati dai commutatori; in questo caso con 4 ingressi avremo 16 possibili valori in uscita.

DAC a rete R-2R

all’aumentare del numero di bit il grande rapporto tra la resistenza dell’MSB e quella dell’LSB crea problemi costruttivi. Una tecnica in grado di rendere facile la costruzione di reti con un ottimo comportamento in un’ampia variazione termica è quella che utilizza solo due valori R-2R, mettendo 2N+1 (9) resistenze nel circuito avremo una rete a 16bit.

Altri tipi poco usati sono DAC flash ed DAC a capacità commutate.

Un ADC è un circuito elettronico in grado di convertire un segnale analogico con andamento continuo (ad es. una tensione) in una serie di valori discreti (vedi teoria sulla conversione analogico-digitale).

Caratteristiche

La risoluzione indica il numero di valori discreti che può produrre. È usualmente espressa in Bit. Un ADC che codifica un ingresso analogico in 256 livelli discreti ha una risoluzione di 8 bit. La risoluzione in volt di un ADC è uguale alla minima differenza di potenziale tra due segnali che vengono codificati con due livelli distinti adiacenti.

Se abbiamo un segnale compreso tra 0 e 10 volt ed una risoluzione di 12 bit, avremo 4096 livelli di quantizzazione con la conseguenza che la differenza di potenziale tra due livelli adiacenti è di 10 V / 4096 = 2,44 mV. In pratica la risoluzione di un convertitore è limitata dal rapporto segnale/rumore (S/N ratio) del segnale in questione.

La maggior parte degli ADC l’uscita è funzione lineare del segnale di ingresso ma ne esistono anche logaritmici.

L’accuratezza dipende dall’errore della conversione. In un ADC a 8 bit, un errore di 1 LSB è pari ad un errore di 1/256 ossia circa del 0,4%.

L’errore di quantizzazione è dovuto alla risoluzione finita dell’ADC ed è una grandezza compresa tra zero e un LSB.

La Frequenza di Campionamento è il tempo necessario per convertirlo in un flusso di valori senza perdita di informazione (teorema del campionamento.

Strutture circuitali

Un ADC ad approssimazioni successive (SAR – Successive Approximation Register) usa un comparatore e un convertitore digitale-analogico

Partendo dal MSB e usando il DAC viene confrontato il segnale campionato con il segnale di ingresso in feedback. Questo convertitore individua un bit ad ogni iterazione fino a trovare il valore approssimato dell’ingresso.

S/H = circuito Sample and Hold

C = comparatore

SAR = generatore di rampa digitale

B = buffer

D/A = convertitore Digitale Analogico

C & T = circuito di Controllo e Temporizzazione

Un ADC a conversione diretta (Flash ADC) ha un comparatore per ognuno dei livelli di voltaggio riconosciuti dal quantizzatore.

Un ADC flash ad 3 bit avrà 2^3-1 (=7) comparatori. Il segnale di ingresso arriva a tutti i comparatori contemporaneamente. Porteranno in uscita un valore di saturazione positivo tutti quelli in cui la tensione del segnale di ingresso è maggiore di quella di soglia per quel determinato bit. Attraverso un decoder avremo in uscita il valore binario dell’ingresso. I convertitori flash sono i più veloci in assoluto e sono usati per campionare segnali in alta frequenza. Il numero dei comparatori necessari cresce esponenzialmente con il numero dei bit richiesti quindi raramente hanno più di 8 bit di risoluzione.

Un ADC a doppia rampa (Dual Slope – o ad integrazione) produce un segnale a dente di sega che sale, per poi cadere velocemente a zero. Il segnale di ingresso viene integrato facendo salire la rampa mentre un contatore segna il tempo. Quando la rampa raggiunge un livello noto il conteggio termina e indica il valore quantizzato del segnale. Questo tipo di ADC è sensibile alla temperatura e deve essere ricalibrato spesso.

timining del convertitore a doppia rampa

Gli ADC, a seconda del modello, presentano i seguenti problemi:

il processo di campionamento e di quantizzazione – i campioni in ingresso vanno mantenuti costanti per tutto il tempo della conversione.

Errore di non linearità assoluta

Errore del guadagno

Errore differenziale

Errore di offset

Esempio n° 1 – integrato ADC0808:

l’integrato ADC0808 e’ un integrato che contiene un circuito ADC che può selezionare un canale su 8.

Piedinatura del circuito:

Schema a blocchi funzionale:

Timing dei segnali coinvolti:

CONCLUSIONI:

Il circuiti di conversione ADC e DAC, utilizzando il teorema del campionamento, ci permettono di passare da una grandezza digitale a una analogica e viceversa. Particolare attenzione va posta alla gestione dei segnali di controllo specie nel primo tipo.

Roma 5 maggio 2020

Il docente

LERTERI C. Francesco

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