Convertitori DAC: caratteristiche e strutture fondamentali

SCHEMA CATENA DI MISURA

Acquisizione
Distribuzione
Elaborazione
Conversione
Conversione
Rilevamento
Condizionamento
Campionamento
Ricostruzione
Attuazione
Trasduttore
Amplificatore
filtro
S/H
ADC
Elaboratore
DAC
S/H
Filtro
Dispositivo
di
uscita

1
Linee di indirizzo e controllo
Linee di indirizzo e controllo
Analogic to digital
converter
Digital to analogic
converter

Conversione D/A

Ingresso
digitale
D1, D2, ... Dn
Convertitore
D/A
Grandezza di
riferimento
ref> "ref
Vo oppure I.
Uscita
analogica
DID2 ... DI
Parola digitale di ingresso
-BIT meno significativo - LSB, Least Significant Bit
BIT più significativo -MSB, Most Significant Bit
N è il numero decimale intero corrispondente alla parola digitale DID2 ... Dn

RELAZIONE INGRESSO-USCITA

Tensione di fondo scala oc Vref
VES
1
Uscita :
Vo =
VES . N
2ª
dove :
In livelli
N = D1 . 2"-" +D2 . 21-2 + ... +Dn . 2º
N=5 (D1D2 .. Dn =... 101)
N=4 (D1D2 .. DR =... 100)
N=3 (D1D2 .. Dn =... 011)
V
0
LSB
=
VFS
21
Vo = VFS
DI+ D2 ++ DI
21

CARATTERISTICA DI TRASFERIMENTO IDEALE

1
Vo _N
7/8
6/8
VFS
21
5/8
Vo/VFS
4/8
3/8
2/8
1/8
0
000
001
010
011
100
101
110
111
Ingresso binario (n=3)

PARAMETRI DI UN DAC REALE

• n: numero dei bit nella parola digitale di ingresso
  E' un indice del numero di livelli discreti in uscita, pari a 2ª o
  del numero di intervalli in cui viene suddivisa la tensione di
  fondo scala.
• Risoluzione: è la più piccola variazione che può subire,
  nel caso ideale, la grandezza di uscita
  Viene data in bit, in parti su 2", in %, in mV o mA.
• Fondo scala : è il valore VFs (o Irs) di fondo scala
  della grandezza di uscita
  Corrisponde normalmente alla tensione di alimentazione degli
  integrati, 2.5V o 5V.

DAC reali

• Scostamenti dall'andamento lineare dovuti a:
  - Offset
  - Guadagno
  - Non linearità

OFFSET del DAC

La presenza dell'offset comporta che, in corrispondenza del
codice 000, l'uscita non sia nulla ma valga Voffset·
Vo = VR 2
n
Di + Voffset
i=1\2"
10,00
:Tensione di uscita, Vo (V)
8,75
7.50
6,25
5,00
3,75
Voffset
2.50
1,25.1.
0.00
000
001
010
011
100
101
110
111
Codice di ingresso
L'effetto è una traslazione rigida della curva caratteristica di una quantità pari a Voff
set.
Voffset è normalmente dell'ordine dei mV

ERRORE DI GUADAGNO del DAC

La presenza di un guadagno non costante al variare del codice
di ingresso comporta che il valore dell'uscita analogica
differisca dal valore ideale
Normalmente lo scostamento
aumenta all'aumentare del codice di
ingresso e può essere rappresentato
con un fattore moltiplicativo K nella
relazione ingresso/uscita.
21
Di
/
Vo = K . VRE
n
i=10
10,00
Tensione di uscita, Vo (V)
8,75
7,50
6,25
5,00
3,75
2,50
1,25
0,00
000
001
010
011
100
101
110
111
Codice di ingresso
L'effetto è una inclinazione diversa della curva caratteristica.

ERRORE DI LINEARITA' INTEGRALE

Differenza
assoluta
Differenza
rapportata
ad un LSB
0.57
0.07
} 0.07
=0.56
0.125
1
0,875 ..
1
7/8
0,8
6/8
0,56
6/8
:0,625 ..
5/8
VONFS
4/8
3/8
0,325
2/8
0,25.
2/8
0,09
1/8
0
0
000
001
010
011
100
101
110
111
Errore (in L SB)
0
0
0
0
000
DO1
010
D11
100
101
110
111
-0.28
-0,5
-0,4
-1
Nei DAC di buone prestazioni gli errori di linearità integrale sono inferiori a ±1 LSB
0.4
0,5
0,57
Curva
ideale
o
0

ERRORE DI LINEARITA' DIFFERENZIALE

Incremento
reale
Incremento
ideale
0.570
0.120
} 0.245 - 0.125 = 0.120
=0.96
0.125
1
0,875 ..
7/8
0,8
6/8
6/8
0,625.
0,57
5/8
SI NoA
4/8
Curva
ideale
0.325
2/8
0,25.
2/8
0,09 .....
1/8
0
0
000
001
010
011
100
101
110
111
1,5
0,96
1
Errore (in LSB)
0.4
0,5
0,28
0
0
0
000
010
011
100
101
110
111
-0,5
-0,4
-0,4
-0,56
-1
Nei DAC di buone prestazioni gli errori di linearità differenziale sono inferiori a ±0.5 LSB
3/8
-0,28
Errore di
incremento
rapportato
ad un LSB
0.325

MONOTONICITA' DEL DAC

Incremento
reale
Incremento
ideale
Errore di
incremento
rapportato
ad un LSB
0.250
0.145
=- 1.16
0.270
1
1.5
1,16
7/8
0,8
6/8
6/8
0,625
0,57
5/8
SINin
4/8
Curva
ideale
3/8
0.325
0,27
0,25
2/8
1/8
0
0
0
000
001
010
011
100
101
110
111
Errore (in LSB)
000
010
01
100
101
110
11
-0.5
-0,4
-0.4
-0.56
-1
-1,16
-1,5
0,96
1
0.4
0.5
0
2
0
001
2/8
} -0.02 - 0.125 = - 0.145
0.125
0.875
La monotonicità è essenziale nei sistemi di controllo, dove un comportamento NON
monotono può portare ad instabilità del sistema.

SETTLING TIME

Commutazione della parola di ingresso da 00 ... 000 a 11 ... 111
lalog Out
[V]
m
Fascia di ampiezza
assegnata ~< 1 LSB
doo
111
t
t
S
Tempo di assestamento
(settling time)

GLITCHES NEL SEGNALE DI USCITA

Il glitch è un impulso di breve durata che può comparire all'uscita del
DAC nella transizione della risposta da un codice di ingresso al
seguente.
E' dovuto alla commutazione non istantanea dei bit
della parola, che produce codici di ingresso
transitori e quindi uscite momentaneamente
differenti da quella finale.
Commutazione ideale
100
011
Commut. con glitch
100-111 -011
FSRA
Analog
Out [V]
000 : 001 : 010: 011: 100 : 101 ; 110: 111:
Bit lento nel commutare
Codice momentaneo spurio

ALTRI PARAMETRI CARATTERISTICI DEI DAC REALI

• Stabilità
  E' indice di quanto il comportamento di una DAC sia sensibile all'età, alla
  temperatura, alla tensione di alimentazione, ecc.
• Accuratezza
  E' la peggior differenza che si può riscontrare tra l'uscita del convertitore
  reale ed il corrispondente valore ideale (espressa in LSB).
• Precisione
  E' indice della capacità del DAC di fornire sempre lo stesso valore
  analogico di uscita a parità di codice di ingresso.