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Wie funktionieren und funktionieren ADCs und DACs?

Es gibt hauptsächlich drei ADC-Designs:

Parallel – Das Eingangssignal wird gleichzeitig mit den Referenzpegeln durch eine Reihe von Vergleichsschaltungen (Komparatoren) verglichen, die am Ausgang einen Binärwert bilden. In einem solchen ADC ist die Anzahl der Komparatoren gleich (2 zur Potenz N) – 1, wobei N die Ziffernkapazität des digitalen Codes ist (für einen 8-Bit-Code – 255), wodurch die Kapazität von nicht erhöht werden kann Ziffern über 10-12.
Sukzessive Approximation: Der Wandler, der einen Hilfs-DAC verwendet, erzeugt ein Referenzsignal, das mit dem Eingangssignal verglichen wird. Das Referenzsignal wird nach dem Prinzip der mittleren Division (Dichotomie), das in vielen konvergenten Suchmethoden der angewandten Mathematik verwendet wird, sequentiell geändert. Dies ermöglicht es, die Umwandlung in einer Anzahl von Taktzyklen durchzuführen, die der Länge des Wortes entsprechen, unabhängig von der Größe des Eingangssignals.
mit Zeitintervallmessung: Eine große Gruppe von ADCs, die verschiedene Prinzipien der Umwandlung von Pegeln in proportionale Zeitintervalle verwenden, um das Eingangssignal zu messen, dessen Dauer von einem Hochfrequenztaktgenerator gemessen wird. Dies wird manchmal als ADC-Zählung bezeichnet.
Unter ADCs mit Zeitintervallmessung überwiegen die folgenden drei Typen:

Sequentielle Zählung oder Single Slope – Bei jedem Umwandlungszyklus wird ein linear ansteigender Spannungsgenerator gestartet, der mit der Eingangsspannung verglichen wird. Typischerweise wird diese Spannung in einem Hilfs-DAC erhalten, ähnlich einem ADC mit sukzessiver Approximation.
Dual Slope: In jedem Umwandlungszyklus lädt das Eingangssignal einen Kondensator auf, der dann mit der gemessenen Entladungsdauer auf eine Referenzspannung entladen wird.
Tracking – Eine Variante des ADC mit sequentieller Zählung, bei der der Referenzspannungsgenerator nicht bei jedem Zyklus zurückgesetzt wird, sondern ihn vom vorherigen auf den aktuellen Wert ändert.
Die beliebteste Version des Tracking-ADC ist Sigma-Delta, das mit einer Frequenz Fs arbeitet, die signifikant (64-mal oder mehr) höher ist als die Abtastfrequenz Fd des digitalen Ausgangssignals. Der Komparator eines solchen ADC erzeugt Werte mit reduzierter Bittiefe (im Allgemeinen ein Bit – 0/1), deren Summe im Abtastintervall Fd proportional zum Wert der Abtastung ist. Eine Folge von niedrigen Bitwerten wird digital gefiltert und dezimiert, was zu einer Reihe von Abtastwerten mit einer gegebenen Bittiefe und Abtastrate Fd führt.

Um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern und den Effekt von Quantisierungsfehlern zu verringern, der sich im Fall eines Ein-Bit-Wandlers als ziemlich hoch herausstellt, wird ein Rauschformungsverfahren durch digitale Filter- und Rückkopplungsschaltungen verwendet. Error. Infolge der Anwendung dieses Verfahrens ändert sich die Form des Rauschspektrums, so dass die Hauptrauschenergie in den Bereich oberhalb der Mitte der Frequenz Fs verschoben wird, ein kleiner Teil in der unteren Hälfte verbleibt und fast das gesamte Rauschen Es wird aus dem ursprünglichen analogen Signalband entfernt.

DACs basieren hauptsächlich auf drei Prinzipien:

Gewichtung: mit der Summe der gewichteten Ströme oder Spannungen, wenn jedes Bit des Eingangsworts einen seinem Binärgewicht entsprechenden Beitrag zum Gesamtwert des empfangenen analogen Signals leistet; Diese DACs werden auch als Parallel oder Multibit (Multibit) bezeichnet.
Sigma-Delta mit vorläufiger digitaler Überabtastung und Lieferung von Low-Bit-Werten (normalerweise Ein-Bit-Werten) an die Referenzladungsformungsschaltung, die dem Ausgangssignal mit derselben hohen Frequenz hinzugefügt werden. Diese DACs werden auch als Bitströme bezeichnet.
Pulsweitenmodulation (PWM), wenn Impulse mit konstanter Amplitude und variabler Dauer an das analoge Abtast- und Haltesignal gesendet werden, um die Dosierung der am Ausgang entladenen Last zu steuern. Die MASH-Konverter (Multi-stAge Noise Shaping) von Matsushita arbeiten nach diesem Prinzip. Diese DACs erhielten ihren Namen aufgrund der Verwendung verschiedener sequentieller Rauschformer.
Wenn eine Überabtastung um einen Faktor von zehn (typischerweise – 64x..512x) verwendet wird, ist es möglich, die DAC-Kapazität ohne merklichen Verlust der Signalqualität zu reduzieren; DACs mit weniger Bits haben auch eine bessere Linearität. Am Limit kann die Anzahl der Downloads auf eins reduziert werden. Die Ausgangswellenform solcher DACs ist ein nützliches Signal, das von einer signifikanten Menge an Hochfrequenzrauschen umgeben ist, das jedoch durch ein gleichmäßiges Analogfilter mittlerer Qualität wirksam unterdrückt wird.

DACs sind “Straight-Through” -Geräte, bei denen die Konvertierung einfacher und schneller ist als bei ADCs, bei denen es sich meist um langsamere und serielle Geräte handelt.