ЦАП и АЦП в Micro Cap

• Рассматриваются цифро-аналоговые преобразователи ЦАП и аналого-цифровые преобразователи АЦП.  

• Обсуждаются формы представления сигналов в электронных устройствах.  

• Первая форма: непрерывное время и величина, аналоговые сигналы.  

• Вторая форма: дискретное время и непрерывная величина.  

• Пример: равномерная дискретизация аналогового сигнала.  

• Величина может принимать любое значение в заданном диапазоне.  

• Третья форма: непрерывное время, дискретная величина.  

• Четвертая форма: дискретное время, дискретная величина.  

• Цифровые сигналы квантуются до разрешенных уровней.  

• Преобразование непрерывной функции в последовательность чисел.  

• Две связанные процедуры: дискретизация по времени и квантование по уровню.  

• АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой.  

• Запуск программы MicroCAP и обзор устройств.  

• Цифровые примитивы: аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.  

• Различные разрядности ЦАП и АЦП.  

• Обзор моделей и работы ЦАП и АЦП.  

• Начало с цифро-аналоговых преобразователей.  

• Рассматривается шестнадцатиразрядный цифро-аналоговый преобразователь ЦАП.  

• ЦАП преобразует параллельный двоичный код в аналоговую величину.  

• Величина на выходе пропорциональна входному коду, умноженному на шаг квантования.  

• Выходное напряжение равно шагу квантования, умноженному на входной код.  

• Шаг квантования определяется как разница между опорным напряжением и потенциалом земли, деленная на два в степени разрядности.  

• Для шестнадцатиразрядного ЦАП каждый двоичный сигнал может принимать значение от 0 до 1.  

• Код интерпретируется по формуле: старший разряд умножается на 2 в степени разрядности минус один, следующий разряд умножается на 2 в степени минус два и так далее.  

• Шаг квантования зависит от разности между опорным напряжением и потенциалом земли.  

• При подаче меняющихся кодов на вход ЦАП, на выходе получается ступенчатый сигнал.  

• Минимальная ступенька равна шагу квантования.  

• Модель ЦАП проста: при подаче опорного напряжения и цифрового кода на выходе появляется аналоговая величина.  

• Существует задержка переключения, задаваемая в параметрах модели.  

• Время переключения определяет, когда аналоговая величина соответствует новым цифровым данным.  

• В реальных микросхемах могут быть управляющие сигналы для запуска преобразования.  

• Рассматривается четырехразрядный ЦАП с опорным напряжением 8 вольт.  

• Шаг квантования равен 0.5 вольта.  

• Выходное напряжение равно потенциалу земли плюс входной код, умноженный на шаг квантования.  

• Используется готовая схема для проверки работы ЦАП.  

• В режиме динамика DC проверяется соответствие входного и выходного сигналов.  

• Изменение опорного напряжения влияет на шаг квантования и выходное напряжение.  

• Рассматривается модель разрядного АЦП.  

• Вход запуска АЦП происходит с передним фронтом импульса.  

• Выводы общий GND и референс опора подключаются к источникам стабильного напряжения.  

• Выходы соответствуют разрядности АЦП.  

• Есть выход статус, показывающий конец преобразования.  

• Выход переполнения активизируется при отрицательном  

• АЦП преобразует аналоговое напряжение в цифровой эквивалент.  

• Цифровой код состоит из двоичных разрядов, где старший разряд - это Аn-1, следующий - Аn-2 и так далее.  

• Цифровой код округляется до ближайшего целого и появляется на выходах АЦП.  

• Разница потенциалов между входом и землей делится на шаг квантования.  

• Величина округляется до ближайшего целого, и этот код появляется на выходах АЦП.  

• Формула для шага квантования: разность потенциалов между референсом и общим выводом делится на 2 в степени разрядности АЦП.  

• Передний фронт запускает преобразование, вызывая задержку.  

• Сигнал статус переходит в высокое состояние, показывая недостоверные данные.  

• Задержка преобразования зависит от схемы АЦП и может быть разной.  

• Модель АЦП включает задержку перед началом преобразования и задержку после окончания преобразования.  

• В реальных устройствах могут использоваться разные схемы АЦП, такие как последовательных приближений или двойного интегрирования.  

• В программе MicroCAP используется только один параметр - задержка перед началом преобразования.  

• Рассматривается четырехразрядный АЦП с входным напряжением 5.678 В и опорным напряжением 16 В.  

• Требуется найти цифровой код на выходе АЦП в двоичной и десятичной системах счисления.  

• Шаг квантования равен разности потенциалов между референсом и общим выводом, деленной на 2 в степени разрядности.  

• Целочисленное деление входного напряжения на шаг квантования.  

• Нахождение остатка от деления и увеличение ближайшего уровня на один.  

• Пример с десятичным и двоичным представлением результата.  

• Генератор цифровых сигналов и запуск АЦП.  

• Использование режима переходных процессов для моделирования.  

• Задержка преобразования и игнорирование временных параметров.  

• Запуск АЦП на 20 наносекунд.  

• Вывод тактовых импульсов и входного напряжения.  

• Проверка правильности работы АЦП на примере четырехразрядного преобразователя.  

• Замена постоянного сигнала на синусоидальный.  

• Увеличение времени анализа до 200 наносекунд.  

• Наблюдение за дискретизацией синусоидального сигнала.  

• Решение задач для восьмиразрядного и четырехразрядного АЦП.  

• Влияние подключения к источнику отрицательного смещения.  

• Проверка аналитического решения задачи.  

• Последовательное включение АЦП и ЦАП с одинаковыми источниками опорного напряжения.  

• Синусоидальное напряжение на входе и его преобразование через АЦП и ЦАП.  

• Вопрос о сигнале на выходе ЦАП после пропускания через АЦП.  

• Частота дискретизации АЦП составляет 16 Гц.  

• Синусоидальный сигнал с частотой 1 Гц будет оцифровываться 16 раз в секунду.  

• На выходе ЦАП будет дискретно-аналоговый сигнал с минимальной высотой и шириной ступеньки.  

• Минимальная ширина ступеньки равна интервалу дискретизации 1/16 секунды.  

• Минимальная высота ступеньки определяется шагом квантования по уровню 1/16 вольта.  

• Высота ступеньки зависит от формы сигнала и скорости его изменения.  

• Входной сигнал: синусоида с размахом 14 В и частотой 1 Гц.  

• Тактовые импульсы генерируются с периодом 1/16 секунды.  

• На выходе АЦП и ЦАП получаются дискретно-аналоговые сигналы.  

• Модели АЦП и ЦАП упрощенные, но позволяют учитывать инерционность.  

• Для ЦАП учитывается время переключения, для АЦП - задержка и время преобразования.  

• В примерах используется модель с нулевой задержкой для АЦП.  

• Разрядность ЦАП и АЦП: 1, 4, 8, 12, 16.  

• Моделирование позволяет учитывать инерционность работы устройств.  

• Задачи и решения приведены, модельные файлы прилагаются.