Convertitore digitale-analogico (DAC): tipi, funzionamento 5 usi

Contenuti

·       Convertitore digitale-analogico (DAC)

·       Funzionamento di un convertitore da digitale ad analogico

·       Simbolo elettrico del convertitore digitale-analogico

·       Tipologie di convertitori digitale-analogico

·       Applicazioni del convertitore digitale-analogico

·       Vantaggi e svantaggi del convertitore digitale-analogico (DAC)

Convertitore da digitale ad analogico (DAC)

Un convertitore da digitale ad analogico è un dispositivo elettronico che esegue un'operazione di conversione. Come suggerisce il nome, converte un segnale di ingresso digitale in un segnale di uscita analogico. I segnali digitali come la musica digitalizzata possono essere convertiti in suoni analogici utilizzando un convertitore da digitale ad analogico. È uno dei tipi di convertitori di dati.

Un convertitore da digitale ad analogico è anche noto come DAC, convertitore da d, convertitore dac, convertitore D/A, ecc. Un convertitore da analogico a digitale (ADC) esegue l'operazione inversa. Un DAC è richiesto quasi ogni volta nel circuito ogni volta che ce n'è bisogno ADC.

Conoscere il convertitore analogico-digitale!

Funzionamento di un convertitore digitale-analogico

Un convertitore da digitale ad analogico è un'apparecchiatura che funziona per la conversione da digitale ad analogico. Un segnale digitale è definito come il segnale discreto nel tempo e discreto nell'ampiezza. Allo stesso tempo, un segnale analogico è definito come il segnale ad ampiezza continua e continua nel tempo. Un DAC converte un numero binario a virgola fissa (numero astratto di precisione adeguata) in una misura fisica.

Le la trasformazione ha diversi passaggi dentro. Un tipico convertitore da digitale ad analogico converte i dati astratti in sequenze concettuali di impulsi. Quindi la serie viene elaborata utilizzando un filtro di ricostruzione. 

Un convertitore digitale-analogico funziona in base al teorema del campionamento di Nyquist-Shannon. Afferma che – un segnale di ingresso può essere recuperato dalla sua uscita campionata se la frequenza di campionamento è due volte maggiore o uguale alla componente di frequenza più alta presente nel segnale di ingresso.

Esistono diversi parametri per misurare le prestazioni di un convertitore digitale-analogico. La larghezza di banda del segnale di uscita, il rapporto segnale/rumore sono alcuni dei parametri.

Simbolo elettrico di un DAC

Il simbolo seguente rappresenta un convertitore da digitale ad analogico.

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Simbolo del convertitore da digitale ad analogico

Tipi di convertitori da digitale ad analogico

La conversione dei bit di ingresso digitali in segnali analogici può essere ottenuta attraverso diversi processi. Parliamo di alcuni tipi:

A. DAC che utilizza il metodo dei resistori ponderati

Cominciamo con un numero digitale a 4 bit. Lo convertiremo in analogico. Lascia che il numero digitale – B3B2B1B0

Convertitore da digitale ad analogico
Conversione binaria digitale-analogica. Fonte immagine – Giacomo Alessandroni creatore QS: P170, Q100973368, Convertitore Digitale-Analogico a reti pesate a 4 bitCC BY-SA 4.0

L'equivalente decimale sarà – N = 23B3+22B2+21B2+20B0

Qui B3 è la cifra più significativa (MSB) mentre B0 è la cifra meno significativa (LSB). Il circuito qui funziona per produrre un segnale di uscita analogico ponderato in base alle posizioni dei bit e sommarli insieme.

Nel circuito, le tensioni logiche, che rappresentano l'ingresso binario, vengono applicate ai resistori corrispondenti mediante interruttori. I resistori dei circuiti (tranne il resistore di retroazione Rf) sono collegati in modo ponderato in modo che il rapporto successivo sia 2. Cioè – R0 / R1 = R1 / R2 = R2 / R3 = 2. I resistori sono anche inversamente proporzionali al loro significato numerico del bit binario appropriato.

Quando il bit binario è zero (0), l'interruttore è acceso e collegato a terra. Se il bit binario è uno (1), il controller è chiuso e collegato alla tensione di riferimento VR.

La corrente i che verrà fornita al terminale non invertente è –

io = VR * ( B3 / R3 +B2 / R2 +B1 / R1 +B0 / R)

Sostituendo i valori di R0, R1, R2, R3 noi abbiamo -

io = (VR /R) * (23B3+22B2+21B2+20B0 )

Poiché G è terra virtuale, la tensione di uscita vo =

Vo = -i*Rf = – (VR /R) *Rf * (23B3+22B2+21B2+20B0 )

Ora possiamo osservare che la tensione di uscita è proporzionale al valore numerico del cifre binarie.

La precisione del DAC dipende dai rapporti dei resistori e dalla loro capacità di seguirsi a vicenda al variare della temperatura.

Questo tipo di convertitori da digitale ad analogico presenta alcuni svantaggi. È necessaria un'ampia gamma di resistori per costruire il convertitore se l'ingresso binario è costituito da un numero elevato di bit. Il convertitore di tipo ladder R-2R supera questo svantaggio.

B. R – DAC tipo scala 2R

Una scala di resistenze può convertire una parola binaria in analogica. Questo tipo di DAC è noto come convertitori di tipo R – 2R Ladder.

r 2r scala dac
R – 2 R Tipo Ladder Conversione da digitale ad analogico. Fonte immagine – Wiki analogico

Per comprendere il funzionamento del circuito, supponiamo che il terminale B0 sia collegato a VR e il resto dei terminali (B1, B2, B3) siano collegati a terra. La figura risultante è mostrata nel circuito –

Applichiamo il teorema di Thevenin ai nodi a0, a1, a2, a3 riguardanti la terra. Otteniamo il circuito equivalente di Thevenin, che è ulteriormente mostrato nel corso seguente:

La sorgente equivalente ha una tensione VR/16 in serie ad una resistenza 3R.

Ancora, se il terminale B1 è collegato a Vr e i terminali B0, B2, B3 sono collegati a terra, applicando anche il teorema di Thevenin, si può dimostrare che la sorgente ha una tensione VR /8 in serie con una resistenza 3R.

Allo stesso modo, quando B2 è collegato a VR e gli ingressi di riposo sono collegati a terra, troveremo che il circuito equivalente di Thevenin ha una tensione di sorgente VR / 4 in serie con una resistenza 3R.

Lo stesso vale per la connessione di B3 con VR. Il circuito equivalente fornisce la tensione sorgente come VR / 2 e la resistenza in serie di 3R.

La corrente i ottenuta dal principio di sovrapposizione – 

i = ( Vr / 3R ) * ( B0/16 + B1/8 + B2/4 + B3/2 )

Poiché G è terra virtuale, la tensione di uscita vo =

Vo = -i*Rf = – (VR /R) *Rf * (B0/23 + B1/22 + B2/21 + B3/20 )

L'equazione si presenta come -

Vo = -i*Rf = – (VR /48R) *Rf * (23B3+22B2+21B2+20B0 )

Qui e ora possiamo renderci conto che la tensione di uscita è proporzionale al valore numerico delle cifre binarie. Questo circuito può convertire facilmente grandi cifre binarie poiché è facilmente estensibile. Tutto ciò che dobbiamo aggiungere sono interruttori aggiuntivi e resistori extra per la scala.

Una delle caratteristiche vitali di un convertitore digitale-analogico è che il più piccolo cambiamento del circuito ne definisce la risoluzione.

Applicazioni del convertitore digitale-analogico

L’era moderna ha una forte domanda di dati digitalizzati. Ecco perché c'è una crescente domanda di un convertitore da analogico a digitale. Ma dobbiamo tenere presente che utilizziamo segnali analogici nella nostra vita quotidiana e che il mondo è analogico. Quindi, ogni volta che abbiamo bisogno di un convertitore da analogico a digitale, abbiamo bisogno di un convertitore da digitale ad analogico. Sia i DAC che gli ADC hanno contribuito maggiormente alla rivoluzione digitale.

Conversione 330px AD DA
Un processo generale di DAC e ADC. Fonte immagine – MegodenasConversione AD DA, contrassegnato come dominio pubblico, maggiori dettagli su Wikimedia Commons

Facciamo un esempio del mondo reale per comprendere le loro necessità. Consideriamo una telefonata. Inizialmente, il chiamante inizia a parlare. Il parlato è un segnale analogico, che viene trasformato in un segnale digitale utilizzando un convertitore analogico-digitale o ADC. Quando il segnale digitalizzato viene trasportato al ricevitore, deve essere nuovamente convertito in segnale analogico; in caso contrario, il destinatario non capirà i dati inviati. Qui un convertitore da digitale ad analogico serve allo scopo.

Elaborazione audio:

La musica e altri audio vengono archiviati in formato digitalizzato nell'odierna era della digitalizzazione. Quando abbiamo bisogno di ascoltarli negli altoparlanti o nelle cuffie, allora la forma digitalizzata deve essere convertita in un segnale analogico. Ecco perché i DAC si trovano in ogni dispositivo in grado di riprodurre musica come: lettore musicale MP3, lettore DVD, lettore CD, laptop, telefoni cellulari, ecc.

I sistemi hi-fi di fascia alta utilizzano DAC autonomi specializzati. DAC simili si trovano nei moderni altoparlanti digitali come altoparlanti USB, schede audio, ecc.

Nelle comunicazioni Voice over IP, la fonte è digitalizzata. Pertanto è necessario un DAC per ricostruire la parte digitalizzata in un segnale analogico.

Codifica video:

Il sistema di codifica video elabora un segnale video e invia segnali digitali ai circuiti integrati.

Display digitale:

Il controller grafico utilizza in genere una tabella di ricerca per generare segnali inviati a uscite analogiche come segnali RGB per pilotare il display.

Calibrazione:

Un convertitore da digitale ad analogico può fornire la calibrazione di tipi dinamici per aumentare la precisione del sistema di test.

Motore di controllo:

I convertitori digitale-analogici vengono utilizzati anche nei dispositivi di controllo motore dove è richiesto il segnale di controllo della tensione.

I DAC vengono utilizzati anche nei sistemi di distribuzione dati, potenziometri digitali, radio software e in molti altri luoghi.

Vantaggi e svantaggi del convertitore da digitale ad analogico (DAC)

Vantaggi del DAC

Come accennato in precedenza, un convertitore da digitale ad analogico è importante quanto un convertitore da analogico a digitale, ha troppi punti da discutere. Ogni dispositivo elettrico ed elettronico presenta vantaggi e svantaggi. I DAC non fanno eccezione. Alcuni dei suoi vantaggi sono:

  • Gli ingressi digitali – binari di grandi dimensioni possono essere convertiti facilmente nella forma analogica.
  • Uno dei metodi di conversione più veloci.
  • Circuiti semplici da implementare.

Svantaggi di DAC

  • I circuiti utilizzano costosi amplificatori operazionali.
  • Alcuni errori come: errore di guadagno, errore di offset, non linearità sono generalmente causati dal resistore impiegato nel circuito.
  • La dissipazione di potenza è elevata.

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