DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Convertitori
Digitale/Analogico
DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
1) DAC a resistori pesati.
2) DAC a traliccio (scala R-2R).
3) DAC integrati.
4) Interfacciamento DAC μP.
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1. DAC a resistori pesati
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Architetture DAC a singolo stadio
• Esistono sostanzialmente 3 tipi di
architetture a singolo stadio:
a divisione di tensione, dove si
utilizza un traliccio di resistori di uguale
valore, collegati in serie a modo di
partitori di tensione.
a divisione di carica, in cui si utilizza
un traliccio di capacitori.
a divisione di corrente, in cui i pesi
dei bit sono delle correnti.
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DAC a resistori pesati (1/3)
• Da un’unica tensione di
riferimento costante
(Vref) si prelevano n
correnti pesate
attraverso n
interruttori.
• Su ciascun interruttore è
posta una resistenza.
Le resistenza hanno
valori pesati secondo la
potenza di 2 (R1=R0/2;
R2 = R0/4; R3 = R0/8.
• Gli interruttori sono
comandati dalle cifre
binarie bi del numero da
convertire in tensione.
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DAC a resistori pesati (2/3)
• L’operazionale serve
da sommatore
(invertente) delle
correnti pesate che
passano attraverso
gli interruttori e
converte la corrente
che attraversa Rf
nella tensione
d’uscita Vo.
• Il valore dei bit (0 o
1) determinerà
l’entità della corrente
che scorre su Rf,
quindi il valore di Vo.
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DAC a resistori pesati (3/3)
• La tensione analogica di
uscità sarà (prescindendo
dal segno “–”):
dove Q si ottiene da Vo
ponendo b3b2b1b0=0001.
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Vantaggi e svantaggi
• Vantaggi della configurazione:
 Semplicità;
 Ridotto numero di resistori (n resistori per un
codice di n bit).
• Svantaggio della configurazione:
 L’ accuratezza del DAC dipende dalla stabilità di
Vref, dai valori delle resistenze e dalla qualità
degli interruttori.
 Valori molto diversi di resistenza da integrare su
singolo chip  difficoltà di realizzare il preciso
rapporto dei resistori (occorre una bassissima
tolleranza del valore delle resistenze);
 La corrente assorbita dal circuito dipende dalla
configurazione dei bit di ingresso;
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DAC con rete a scala R-2R (1/5)
• La rete a scala consente di superare gli svantaggi
presentati dal convertitore a resistori pesati.
• È un DAC che presenta una rete resistiva a scalare
con due soli valori di resistenza, uno doppio
dell’altro (da cui il nome R-2R), con la seguente
struttura (n=4):
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DAC con rete a scala R-2R (2/5)
• Con l’ausilio del teorema di Thevenin si
dimostra che:
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DAC con rete a scala R-2R (3/5)
• Il valore di Q si può ottenere dalla tensione
Vo ponendo in ingresso il codice 0001, per
cui:
Rf
Quindi si ha VFS=
Vref .
3R
La VoMAX = VFS – Q si può ottenere anche
sostituendo il codice 1111 nella formula di
Vo.
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DAC con rete a scala R-2R (4/5)
• Vantaggi della configurazione:
•
1) Il diverso peso dei bit viene realizzato, anziché
mediante l’impiego di resistori pesati di difficile
realizzazione integrata, mediante opportuni
percorsi resistivi;
2) La corrente assorbita dal circuito non dipende
dalla configurazione dei bit di ingresso (la
resistenza vista da Vref è sempre R).
Quindi:


maggior numero di resistori (Svantaggio),
ma di due valori soltanto (Vantaggio,
agevole realizzazione del componente
integrato).
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DAC con rete a scala R-2R (5/5)
• Svantaggio della configurazione:
La diversa posizione degli interruttori
nella rete produce una variazione del
segnale di ingresso non uniforme per
tutti i bit, a causa dei diversi tempi
di propagazione dei bit attraverso
la rete a scala.
Le prestazioni di questo convertitore
possono essere migliorate utilizzando
la configurazione R-2R a scala
invertita.
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approfondimento
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I Glitch nei DAC a rete pesata (1/2)
• Il funzionamento dei DAC
considerati finora richiede
la commutazione di
interruttori
tra i valori Vref (1) e massa
(0).
• Se, nel realizzare questa
variazione, gli interruttori
sono più veloci nel
commutare verso lo stato
off (1→0) di quanto non lo
siano a commutare verso
lo stato on (0→1), esisterà
un breve intervallo di
tempo (transitorio)
durante il quale tutti i bit
sono a zero e l’uscita del
DAC risulta nulla (glitch).
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
I Glitch nei DAC a rete pesata (2/2)
• Si rendono così necessari appositi
circuiti, detti deglitcher, per
rimuovere gli impulsi spuri, o
quantomeno per attenuarne gli
effetti.
• Tali circuiti sono normalmente
costituiti da dispositivi (S/H) che
mantengono l’uscita del
convertitore inalterata finché non
è terminata l’operazione di
commutazione degli switch.
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Parametri caratteristici dei DAC (1/3)
1. Risoluzione: rappresenta la minima
variazione della grandezza di uscita Vo.
Essendo, però, la variazione dell’uscita
legata alla variazione minima dell’ingresso
(Q, ossia 1LSB), quindi in definitiva al
numero di bit n, si usa proprio il valore n,
oppure Q/VFS = 1/2n, per indicare la
risoluzione di un DAC.
Es: dire che un DAC con 8 bit di ingresso ha una
risoluzione di 8 bit equivale a dire che ha una
risoluzione dello 0,4 % [=(1/28)·100].
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Parametri caratteristici dei DAC (2/3)
2. Accuracy: rappresenta la
differenza tra il valore ideale e il
valore reale di Vo per un dato
codice di ingresso.
Es: per un DAC con ε = ± 0,1 % e VFS = 10 V,
l’uscita effettiva si può discostare dal valore
teorico presunto di 0,001·10 = 0,01 V = 10
mV.
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Parametri caratteristici dei DAC (3/3)
• Tempo di assestamento (settling time): è il tempo
necessario affinché il segnale analogico di uscita, dopo una
commutazione degli ingressi, si stabilizzi su un certo
intorno del valore finale (a seconda dell’ errore tollerato).
• I DAC con uscita in corrente hanno settling time molto
piccoli, cioè sono molto veloci.
• Il peggioramento del settling time è dovuto essenzialmente
all’operazionale utilizzato per convertire la corrente in
tensione.
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DAC integrati (1/3)
• Tutti i DAC integrati
hanno al loro interno i due
blocchi della struttura
corrispondenti a set di
interruttori (elettronici) e
rete resistiva.
• Alcuni di essi generano al
loro interno la Vref a partire
dalla Vcc;
• Altri presentano un piedino
sul quale la Vref deve
essere resa disponibile
dall’esterno (generata da
appositi riferimenti di
tensione, che consentono
una maggior stabilità della
tensione di riferimento, nel
tempo e con la
temperatura).
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
DAC integrati (2/3)
• La maggior parte dei
DAC integrati ha una
uscita in corrente;
alcuni integrano anche
il convertitore I/V
fornendo l’uscita in
tensione.
• Alcuni DAC accettano
in ingresso il dato
digitale (generalmente
in binario puro) sotto
forma parallela, altri
sotto forma seriale
per poter ridurre il
numero di piedini del
componente.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
DAC integrati (3/3)
• Alcuni DAC dispongono
di un buffer-latch di
ingresso che consente
l’interfacciamento
diretto con la CPU.
• Questa, infatti, una
volta indirizzato il DAC
(visto come una
periferica di uscita) e
caricato il dato nel
buffer-latch, può
continuare ad eseguire
il suo programma e
limitarsi ad aggiornare
il dato, se necessario.
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Interfacciamento DACμP (1/4)
• Vi sono diverse modalità di interfacciamento tra μP e
DAC, a seconda del tipo di CPU e di DAC integrato che si usa.
• I fogli tecnici allegati ai DAC (come del resto agli ADC)
presentano, oltre alle caratteristiche elettriche, diversi
schemi applicativi di interfacciamento e misura, che
evidenziano aspetti particolari relativi alle tensioni di
riferimento e a speciali connessioni di uscita.
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Interfacciamento DACμP (2/4)
• 1° esempio: il convertitore digitale analogico della figura
precedente è il DAC0830 che presenta uscita in corrente.
• L’operazionale U1 si comporta da convertitore correntetensione e l’operazionale U2 è in configurazione invertente a
guadagno unitario.
• In tal caso la tensione di uscita Vo che si ottiene è compresa
tra 0 e 5V secondo la formula: Vo= (VFS/2n)N = (VREF/28)N =
(5/256)N.
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Interfacciamento DACμP (3/4)
• 2° esempio: schema di interfacciamento
tra un DAC a 8 bit (dotato di segnali di
controllo Chip Select e WRite) e un
microprocessore a 8 bit (ad es. lo Z80).
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Interfacciamento DACμP (4/4)
• Quando la CPU attiva il segnale IORQ , la Logica di controllo
decodifica l’indirizzo del DAC (presente sul bus indirizzi della
CPU) e, tramite il segnale CS , abilita il funzionamento del
DAC. Il DAC, da parte sua, grazie al segnale di WR , riconosce
automaticamente le operazioni di lettura e scrittura:
 quando entrambe sono a livello basso, i bit d’ingresso vengono
convertiti;
 quando almeno una delle due linee è a livello alto il convertitore
mantiene l’uscita precedente.
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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona
Approfondimenti
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DAC R-2R a scala invertita
• Una soluzione molto spesso utilizzata per i
DAC fa uso di generatori di corrente a
scalare (“current steering”), in cui
ciascun generatore assorbe corrente o dalla
massa o dalla linea di uscita a seconda del
valore assunto dal bit di comando (0 o 1).
• Per ottenere un generatore di corrente si
può utilizzare un BJT.
• I DAC con generatori di corrente a scalare
sono molto diffusi, perché presentano
prestazioni migliori riguardo alla velocità
e alla precisione rispetto agli altri tipi di
convertitori.
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