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DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona Convertitori Digitale/Analogico.

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Presentazione sul tema: "DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona Convertitori Digitale/Analogico."— Transcript della presentazione:

1 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona Convertitori Digitale/Analogico

2 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona 1) DAC a resistori pesati. 2) DAC a traliccio (scala R-2R). 3) DAC integrati. 4) Interfacciamento DAC μP.

3 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona 1. DAC a resistori pesati

4 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR4 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.

5 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR5 DAC a resistori pesati (1/3) Da ununica tensione di riferimento costante (V ref ) 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 (R 1 =R 0 /2; R 2 = R 0 /4; R 3 = R 0 /8. Gli interruttori sono comandati dalle cifre binarie b i del numero da convertire in tensione.

6 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR6 DAC a resistori pesati (2/3) Loperazionale serve da sommatore (invertente) delle correnti pesate che passano attraverso gli interruttori e converte la corrente che attraversa R f nella tensione duscita V o. Il valore dei bit (0 o 1) determinerà lentità della corrente che scorre su R f, quindi il valore di V o.

7 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR7 DAC a resistori pesati (3/3) La tensione analogica di uscità sarà (prescindendo dal segno –): dove Q si ottiene da V o ponendo b 3 b 2 b1b 0 =0001.

8 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR8 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 V ref, 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;

9 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR9 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 dellaltro (da cui il nome R-2R), con la seguente struttura (n=4):

10 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR10 DAC con rete a scala R-2R (2/5) Con lausilio del teorema di Thevenin si dimostra che:

11 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR11 DAC con rete a scala R-2R (3/5) Il valore di Q si può ottenere dalla tensione V o ponendo in ingresso il codice 0001, per cui: Quindi si ha V FS =. La V oMAX = V FS – Q si può ottenere anche sostituendo il codice 1111 nella formula di V o.

12 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR12 DAC con rete a scala R-2R (4/5) Vantaggi della configurazione: 1)Il diverso peso dei bit viene realizzato, anziché mediante limpiego 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 V ref è sempre R). Quindi: maggior numero di resistori (Svantaggio), ma di due valori soltanto (Vantaggio, agevole realizzazione del componente integrato).

13 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR13 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. approfondimento

14 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR14 I Glitch nei DAC a rete pesata (1/2) Il funzionamento dei DAC considerati finora richiede la commutazione di interruttori tra i valori V ref (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 luscita del DAC risulta nulla (glitch).

15 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR15 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 luscita del convertitore inalterata finché non è terminata loperazione di commutazione degli switch.

16 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR16 Parametri caratteristici dei DAC (1/3) 1.Risoluzione: rappresenta la minima variazione della grandezza di uscita V o. Essendo, però, la variazione delluscita legata alla variazione minima dellingresso (Q, ossia 1LSB), quindi in definitiva al numero di bit n, si usa proprio il valore n, oppure Q/V FS = 1/2 n, 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 % [=(1/2 8 )·100].

17 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR17 Parametri caratteristici dei DAC (2/3) 2. Accuracy: rappresenta la differenza tra il valore ideale e il valore reale di V o per un dato codice di ingresso. Es: per un DAC con ε = ± 0,1 % e V FS = 10 V, luscita effettiva si può discostare dal valore teorico presunto di 0,001·10 = 0,01 V = 10 mV.

18 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR18 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 alloperazionale utilizzato per convertire la corrente in tensione.

19 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR19 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 V ref a partire dalla V cc ; Altri presentano un piedino sul quale la V ref deve essere resa disponibile dallesterno (generata da appositi riferimenti di tensione, che consentono una maggior stabilità della tensione di riferimento, nel tempo e con la temperatura).

20 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR20 DAC integrati (2/3) La maggior parte dei DAC integrati ha una uscita in corrente; alcuni integrano anche il convertitore I/V fornendo luscita 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.

21 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR21 DAC integrati (3/3) Alcuni DAC dispongono di un buffer-latch di ingresso che consente linterfacciamento 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.

22 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR22 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.

23 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR23 Interfacciamento DAC μP (2/4) 1° esempio: il convertitore digitale analogico della figura precedente è il DAC0830 che presenta uscita in corrente. Loperazionale U1 si comporta da convertitore corrente- tensione e loperazionale U2 è in configurazione invertente a guadagno unitario. In tal caso la tensione di uscita V o che si ottiene è compresa tra 0 e 5V secondo la formula: V o = (V FS /2 n )N = (V REF /2 8 )N = (5/256)N.

24 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR24 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).

25 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR25 Interfacciamento DAC μP (4/4) Quando la CPU attiva il segnale, la Logica di controllo decodifica lindirizzo del DAC (presente sul bus indirizzi della CPU) e, tramite il segnale, abilita il funzionamento del DAC. Il DAC, da parte sua, grazie al segnale di, riconosce automaticamente le operazioni di lettura e scrittura: quando entrambe sono a livello basso, i bit dingresso vengono convertiti; quando almeno una delle due linee è a livello alto il convertitore mantiene luscita precedente.

26 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR26 Approfondimenti

27 DISTRETTO FORMATIVO ROBOTICA - Verona giugno 2008Prof. Tozzi-ITIS Marconi-VR27 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. torna


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