Digital-til-analog konvertering

Digital to analog audio converter (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Digital-til-analog konvertering

Digitale kredsløb


Spørgsmål 1

Hvis et pulsbreddemoduleret (PWM) signal sendes til et passivt integratorkredsløb fra et kredsløb, der kan både sourcing og synkronisering (som det er tilfældet med dual-MOSFET-udgangstrinnet), vil udgangen være en jævnspænding (med nogle krusninger):

Bestem forholdet mellem PWM-signalets driftscyklus og DC-spændingsudgangen fra integratoren. Hvad foreslår dette om PWM som et middel til at formidle information, såsom analoge data fra en måleenhed "# 1"> Reveal svar Skjul svar

Der er et direkte forholdsmæssigt forhold mellem driftscyklus og DC-udgangsspænding i dette kredsløb, hvilket gør det muligt for et PWM-signal at repræsentere analoge data.

Opfølgningsspørgsmål # 1: Hvorfor er det vigtigt, at kredsløbet, der genererer PWM-signalet for integratoren, kan både kilde og synke nuværende?

Opfølgningsproblem nr. 2: Hvad skal der gøres for at reducere kredsløbsspændingen ved integratorens output?

Bemærkninger:

Selv om det ikke bør være vanskeligt for eleverne at skelne mellem forholdet mellem arbejdscyklus og DC-udgangsspænding, kan anvendelsen af ​​dette forhold til datakommunikation være svært for nogle elever at forstå, især på egen hånd. Yderligere udarbejdelse fra din side kan være nødvendigt.

Et glimrende eksempel på dette princip anvendes er dannelsen af ​​en analog spænding ved hjælp af et 1-bit digitalt kredsløb. Denne teknik er nyttig i mikrokontroller systemer, hvor udgangsåbninger kan være knappe, forudsat at krusningsspænding (eller langsom respons) ikke er et problem.

Spørgsmål 2

Forklar, hvad formålet med en digital-til-analog-konverter eller DAC- kredsløb er i dine egne ord.

Reveal svar Skjul svar

Den mest grundlæggende definition for denne enhed skal være indlysende: et kredsløb, der tager en digital indgang og skaber en analog udgang. Hvad jeg leder efter er dog noget mindre indlysende. I dine egne ord skal du forklare, hvad det betyder for et kredsløb at have en "digital input" og en "analog udgang." Du kan give et eksempel på et sådant kredsløb, hvis du finder det lettere at besvare spørgsmålet i kontekst.

Bemærkninger:

Informative kilder er overflødige, som dine elever kan undersøge. Sørg for at bede dem om at svare specifikt og forklare, hvad det betyder for et kredsløb at have en "digital input" og en "analog udgang".

Spørgsmål 3

Forklar, hvordan dette DAC-kredsløb ( digital-to-analog converter) skal fungere:

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig regne ud driften af ​​dette kredsløb på egen hånd!

Bemærkninger:

Dette spørgsmål er en god gennemgang af op-amp teori, især for studerende, der måske ikke har studeret operationelle forstærkere i et stykke tid.

Spørgsmål 4

En type modstand netværk kendt som en R-2R stige bruges ofte i digital-til-analog konvertering kredsløb:

Når alle kontakter i R-2R-laderen er i "jord" -positionen, har netværket en meget interessant egenskab uanset størrelsen. Analysér Thévenin tilsvarende modstand (set fra udgangsterminalen) af følgende R-2R laddernetværk, og kommentér derefter de resultater, du opnår:

Reveal svar Skjul svar

Troede du ærligt, at jeg ville gøre alt for dig og bare give dig svaret "noter skjult"> Noter:

Svaret er ikke svært at opnå, hvis du bruger hver Thévenin-modstandsdygtighed mod at modellere den venstre del af hvert successivt R-2R laddernetværk, da de bliver mere komplekse! De studerende, der ikke tager dette problemløsningstrin, er dømt til at udføre mange serieparallelle beregninger!

Spørgsmål 5

Når kun den mest betydningsfulde bit (MSB) i et R-2R laddermodstandsnetværk er aktiveret (alle andre bits inaktive, deres kontakter forbinder til jorden), vil udgangsspændingen være den samme uanset hvor mange bits netværket har:

Forklar hvorfor denne udgangsspændingsstørrelse står uafhængig af antallet af bits (sektioner) i R-2R laddernetværket.

Reveal svar Skjul svar

V ud = V ref


2

Bemærkninger:

Nøglen til at forstå svaret er at anvende Thévenins sætning på de "inaktive" sektioner af netværket. Her giver den unikke egenskab ved konstant outputimpedans for et R-2R-netværk en nyttig funktion, når den anvendes til DAC-kredsløb.

Spørgsmål 6

Thévenins sætning er et kraftfuldt redskab til at analysere R-2R stige netværk. Tag f.eks. Dette fire-sektionsnetværk, hvor den næstbedste "bit" er aktiveret, mens alle de andre "bits" er inaktive (skiftet til jorden):

Hvis vi Thévenize alle sektioner til venstre for den aktiverede sektion, erstatter den med en enkelt modstand til jorden, ser vi netværket bliver langt enklere:

Forklar, hvordan vi kan anvende Thévenins sætning igen til den skraverede del af dette næste kredsløb (forenklet fra det foregående kredsløb vist ovenfor) for at forenkle det endnu mere, opnå et endelig resultat for V ud :

Reveal svar Skjul svar

Når du kommer til dette punkt, er løsningen for V ud i form af V ref trivial:

Bemærkninger:

Studerende kan ikke indse, at det er gyldigt at iterativt anvende Thévenins sætning til løsning af et kredsløbsproblem. Du kan, og dette står som et godt eksempel på hvordan (og hvorfor!) Du burde gøre det.

Spørgsmål 7

Bestem spændingsudgangen ved hjælp af det følgende R-2R laddernetværk med angivelse af de switch-tilstande, der er vist i tabellen:


SW 0SW 1SW 2SW 3V ud


JordJordJordV ref


JordJordV refJord


JordV refJordJord


V refJordJordJord


JordJordJordJord


Reveal svar Skjul svar


SW 0SW 1SW 2SW 3V ud


JordJordJordV ref8 volt


JordJordV refJord4 volt


JordV refJordJord2 volt


V refJordJordJord1 volt


JordJordJordJord0 volt


Opfølgningsspørgsmål: Det faktum, at et R-2R-resistensnetværk er iboende lineært, kan vi let anvende Superposition Theorem til at finde ud af, hvad der sker, når mere end en switch flyttes til V ref positionen. Forklar hvordan du vil anvende Superposition til at bestemme alle udgangsspændinger for alle mulige kombinationer af switchpositioner.

Bemærkninger:

Som du kan se, blev referencespændingsværdien på 16 volt ikke tilfældigt valgt! Jeg ønskede, at eleverne skulle se mønsteret mellem single switch-lukninger og binære pladsvægte til et fire-bit nummer. De egentlige elektriske analyser for hver tilstand forbedres bedst ved at anvende Thévenins sætning gentaget til kredsløbet, kondenserende sektioner til enkelt resistanser og spændingskilder, indtil der opnås et simpelt spændingsdeler kredsløb ved udgangsterminalen.

Opfølgningsspørgsmålet er ret vigtigt. Sørg for at spørge dine elever om det, for det er nøglen til at finde ud af alle udgangsspændingsværdier for alle binære indgangsmuligheder.

Spørgsmål 8

Forklar, hvorfor DAC-kredsløb baseret på R-2R ladder netværk er mere populære end binære vejede modstand netværk. Enten vil det fungere godt, hvis det er korrekt designet og bygget, så hvorfor ville et design blive mere udbredt "# 8"> Reveal svar Skjul svar

Svaret på dette spørgsmål har at gøre med forretnings- og produktionslinjeprioriteter. Bare fordi to designs fungerer lige så godt i teorien, betyder det ikke, at de er lige så nemme at masseproducere!

Bemærkninger:

Det er vigtigt for dine elever at forstå grundlæggende principper og praksis i erhvervslivet, fordi det er arenaen deres tekniske færdigheder vil sandsynligvis finde udfordring og værdi. Dette spørgsmål er en måde at få dine elever til at tænke på i virkeligheden, praktiske fremstillingshensyn, der går ud over de grundlæggende principper for elektrisk teori.

Spørgsmål 9

Forklar, hvad et digitalt potentiometer er, og giv et eksempel på et digitalt potentiometer i integreret kredsløbs (IC) form.

Reveal svar Skjul svar

Analog Devices fremstiller et 64-positions digitalt potentiometer under delnummer AD5227, for eksempel. Dette er på ingen måde det eneste digitale potentiometer i produktion!

Opfølgningsspørgsmål: Vil du klassificere et digitalt potentiometer som en ADC (analog til digital konverter) eller som DAC (digital til analog konverter)?

Bemærkninger:

Sjældent er det digitale potentiometer nævnt i introduktionsbøger som en digital-til-analog konverter enhed, men det er!

Spørgsmål 10

Hvad menes med ordopløsningen i forbindelse med en ADC eller en DAC? Hvorfor er opløsningen vigtig for os, og hvordan kan den beregnes for et bestemt kredsløb, der kender antallet af binære bits?

Reveal svar Skjul svar

Opløsningen af enten en digital-til-analog-konverter (DAC) eller en analog-til-digital-konverter (ADC) er målet for, hvor fint dets udgang kan ændres mellem diskrete, binære trin. For eksempel vil en 8-bit DAC med et udgangsspændingsområde på 0 til 10 volt have en opløsning på 39, 22 mV.

Bemærkninger:

Bemærk, at jeg ikke havde antydet, hvordan man beregner opløsningen af ​​en DAC eller en ADC, jeg gav netop svaret til et bestemt eksempel. Målet her er, at eleverne induktivt "arbejder baglæns" fra mit eksempel til en generel matematisk erklæring om opløsning.

Der er faktisk to forskellige måder at beregne opløsningen på, afhængigt af det aktuelle område af konverterkredsløbet. For svaret antog jeg, at en digital værdi på 0x00 = 0, 00 volt DC og at en digital værdi på 0xFF = 10, 00 volt DC. Hvis en elev skulle beregne opløsningen for et kredsløb, hvor 0xFF genererede en udgangsspænding, bare genert 10, 00 volt DC (f.eks. Et R-2R laddernetværk hvor V ref = 10 volt DC og en fuldskala binær indgang genererer en udgangsspænding kun et skridt mindre end V ref ), ville det korrekte svar til beslutning være 39.06 mV.

Du vil muligvis gerne frembringe sådanne praktiske eksempler på opløsning som forskellen mellem et håndholdt digitalt multimeter og et lab-bænk digitalt multimeter. Antallet af cifre på displayet er et sikkert tegn på en væsentlig forskel i ADC-opløsning.

Spørgsmål 11

Dette digital-til-analog- konverter (DAC) kredsløb tager en fire bit binær indgang (indgangsterminaler A til D) og konverterer den til en analog spænding (V ud ). Forudsig, hvordan driften af ​​dette kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Bilateral switch U 1 fejler åbent:
Zener diode fejler kortsluttet:
Loddebro (kort) forbi modstand R 1 :
Modstand R 6 fejler åben:
Reveal svar Skjul svar

Bilaterale omskifter U 1 fejler åben: V ud samme for alle ulige nummererede indgangsvilkår, da den er til næste laveste, lige nummererede indgangstilstand (f.eks. Inputværdien på 5 giver samme output som inputværdi på 4).
Zener diode fejler kortslutning: V ud er næsten nul volt for enhver indgangstilstand.
Loddebro (kort) forbi modstand R 1 : V ud mætter positive for en given ulige værdiansat indgangstilstand.
Modstand R 6 fejler åben: V ud altid mættet.

Opfølgningsspørgsmål nr. 1: pilen viser zener diode strøm trukket i retning af elektronstrøm eller konventionel strøm "noter skjult"> Noter:

Spørgsmål som denne hjælper eleverne til at finpudse deres fejlfindingskompetencer ved at tvinge dem til at tænke gennem konsekvenserne af hver mulighed. Dette er et vigtigt trin i fejlfinding, og det kræver en solid forståelse af kredsløbsfunktionen.

Spørgsmål 12

Følgende kredsløb genererer en analog udgangsspænding, der er proportional med værdien af ​​den binære indgang, ved anvendelse af pulsbreddemodulation (PWM) som et midlertidigt format. En otte-bit binær tæller ( CTR ) tæller løbende i üp-retningen, mens en 8-bit-størrelsesregulator ( CMP ) kontrollerer, når den 8-bit binære indgangsværdi matcher tællerens outputværdi. AND-porten og inverteren forhindrer simpelthen ikke, at SR-låsen bliver "set" og "reset" samtidigt (når både A og B er maksimale, begge med en hex-værdi på $ FF), hvilket ville medføre, at udgangen bliver "ugyldig", når S og R var både aktive og uforudsigelige, når både S- og R-input returneres til deres inaktive tilstande:

Forklar, hvordan dette kredsløb fungerer, ved hjælp af timingdiagrammer, hvis det er nødvendigt for at hjælpe med at vise PWM-signalet ved (Q) for forskellige inputværdier.

Reveal svar Skjul svar

Her er et timediagram for at komme i gang med et komplet svar:

Jeg overlader det til dig at forklare forholdet mellem inputværdien (A), PWM-arbejdscyklussen og den analoge udgangsspænding.

Bemærkninger:

Dette kredsløb giver eleverne en interessant øvelse i timing analyse, samt at være et simpelt middel til at konvertere store binære værdier til analoge udgangsspændinger uden at ty til at bruge store modstandsnetværk.

Spørgsmål 13

Dette er et digitalt sæt motorhastighedskontrolkredsløb, der bruger PWM til at modulere strøm til motoren. Forudsig, hvordan driften af ​​dette kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

DAC-output fejler lavt (udgang = 0 volt DC):
DAC-output mislykkes højt (udgang = + V):
IGBT Q 1 fejler åben (samler til emitter):
Loddebro (kort) mellem MSB-indgang på U 1 og jord:
Reveal svar Skjul svar

DAC-output fejler lavt (output = 0 volt DC): Motoren kører ikke.
DAC-output fejler høj (output = + V): Motoren kører fuld hastighed hele tiden.
IGBT Q 1 fejler åben (samler til emitter): Motor vil ikke køre.
Loddebro (kort) mellem MSB-indgang på U 1 og jord: Hastighederne 0 til 127 fungerer normalt, men hastighederne 128 til 255, blot dobbeltvise hastigheder 0 til 127.

Bemærkninger:

Spørgsmål som denne hjælper eleverne til at finpudse deres fejlfindingskompetencer ved at tvinge dem til at tænke gennem konsekvenserne af hver mulighed. Dette er et vigtigt trin i fejlfinding, og det kræver en solid forståelse af kredsløbsfunktionen.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →