Calea de prelucrare a semnalului electric poate include o varietate de componente electrice, inclusiv senzori, elemente de acționare, amplificatoare, convertoare analog-digitale (ADC), convertoare digital-analogice (DAC) sau chiar microcontrolere. Acuratețea întregului lanț de semnal joacă un rol decisiv. Pentru a crește precizia, mai întâi este necesar să identificați și să minimizați erorile care apar de-a lungul căii de prelucrare a semnalului electric. În funcție de complexitatea acesteia, analiza se poate transforma într-o sarcină descurajantă. Articolul de față prezintă un instrument de calcul al tuturor erorilor apărute în lanțul de semnal al unui convertor digital-analogic de precizie și va descrie contribuțiile individuale de eroare ale componentelor conectate la DAC. În cele din urmă, articolul va demonstra, pas cu pas, modul în care instrumentul de calcul poate fi utilizat pentru a identifica și corecta aceste probleme.
Figura 1. Principalele componente în calea de semnal a unui convertor digital-analogic.
Un instrument de calcul al tuturor erorilor unui DAC de precizie are o foarte bună acuratețe, este ușor de utilizat și poate ajuta dezvoltatorii să selecteze cea mai potrivită componentă pentru o anumită aplicație. Deoarece DAC-urile nu apar de obicei singure în calea de semnal, ci sunt conectate la referințe de tensiune și amplificatoare operaționale (ca repetoare de putere pentru referință, de exemplu), aceste componente suplimentare și respectiv erorile lor trebuie luate în considerare și însumate. Pentru a înțelege mai bine acest concept, să vedem mai întâi contribuțiile individuale de eroare ale componentelor principale, așa cum se arată în figura 1.
Referința de tensiune are patru contribuții principale la eroare. Prima este asociată cu precizia inițială (eroare inițială), care indică variația tensiunii de ieșire măsurată în testele de producție la o temperatură definită de 25°C. La aceasta se adaugă eroarea legată de coeficientul de temperatură (eroarea prin variația temperaturii), eroarea legată de nivelul sarcinii și eroarea cauzată de variațiile pe alimentare. Precizia inițială și eroarea dată de coeficientul de temperatură contribuie cel mai mult la eroarea totală.
Figura 2. O reprezentare a contribuțiilor de eroare a instrumentului de calcul al erorilor al ADI.
În amplificatoarele operaționale, eroarea dată de tensiunea de offset între intrări și eroarea de toleranță a rezistențelor au cel mai mare efect. Eroarea tensiunii de offset a intrărilor se referă la o tensiune mică, care trebuie aplicată diferențial pe intrări pentru a forța ieșirea la 0V. Eroarea de toleranță a rezistențelor determină eroarea de amplificare, cauzată de precizia rezistențelor utilizate pentru setarea amplificării în buclă închisă. Alte erori sunt cauzate de curentul de polarizare pe intrare, raportul de rejecție a variațiilor tensiunii sursei de alimentare (PSRR – power supply rejection ratio), amplificarea în buclă deschisă a amplicatorului operațional, curentul de offset pe intrări, offset-ul CMRR și deriva în timp și cu temperatura a tensiunii de compensare a offset-ului intrărilor.
Pentru convertorul digital-analogic (DAC) în sine, diferitele tipuri de erori sunt specificate în foile de catalog – de exemplu, eroarea de neliniaritate integrală (INL – integral nonlinearity), care se referă la diferența dintre tensiunea de ieșire ideală și tensiunea de ieșire reală măsurată pentru un cod de intrare dat. Alte tipuri sunt erorile de amplificare, offset și coeficientul de temperatură al amplificării. Toate acestea sunt uneori grupate împreună pentru a forma eroarea totală neașteptată (TUE – total unexpected error). Aceasta se referă la măsurarea erorii la ieșire, luând în considerare toate erorile unui DAC – adică erorile INL, offset și amplificare, precum și derivarea ieșirii datorită tensiunii de alimentare și a temperaturii de lucru.
Deoarece diferitele surse de eroare nu sunt de obicei corelate, cea mai precisă abordare pentru calcularea erorii totale în lanțul de semnal este metoda radicalului din suma pătratelor erorilor:
Colectarea erorilor componentelor respective este, de obicei, o sarcină plictisitoare, deci putem simplifica acest lucru cu ajutorul instrumentului de calcul al erorii totale pentru a obține un rezultat la fel de precis.
Calculul erorii totale pentru un DAC de precizie, pas cu pas
În primul rând, pentru a utiliza instrumentul error budget calculator, selectați unul dintre cele trei tipuri de convertoare DAC: DAC cu ieșire în tensiune, DAC cu multiplicare și DAC cu ieșire sursă de curent, de 4 mA – 20 mA. Apoi, setați intervalul de temperatură dorit și variația reziduală a tensiunii de alimentare, pentru calcularea erorii. Aceasta din urmă (n.red.: variația tensiunii de alimentare datorită filtrării și consumului variabil) este decisivă pentru eroarea PSRR. Odată introduse aceste valori, calculatorul generează o diagramă care prezintă contribuțiile de eroare respective ale componentelor individuale din lanțul de semnal, așa cum se arată în figura 2.
Eroarea totală din acest exemplu este influențată în principal de tensiunea de referință. O îmbunătățire a căii de semnal ar putea fi realizată prin utilizarea unui modul de referință mai precis.
Rezistențele integrate în DAC, care sunt responsabile pentru compararea semnalelor în amplificatorul inversor intern și pentru îmbunătățirea preciziei, contribuie decisiv la eroarea totală a DAC-ului. În convertoare digita-analogice fără rezistențe integrate sau amplificator inversor intern, acești parametri pot fi specificați separat, așa cum se arată în figura 2.
Calculatorul erorii totale este sigur și simplu de utilizat, facilitând crearea căii de semnal a unui DAC de precizie și evaluarea rapidă a compromisurilor de proiectare.
Autor: Thomas Brand, Field Applications Engineer
Thomas Brand și-a început cariera la Analog Devices în München în 2015, ca parte a tezei sale de masterat. După absolvirea facultății, a făcut parte dintr-un program de stagiari la Analog Devices. În 2017, a devenit inginer de aplicații. Thomas susține mari clienți industriali din Europa Centrală și este, de asemenea, specializat în domeniul Industrial Ethernet. A studiat ingineria electrică la “University of Cooperative Education” din Mosbach înainte de a-și finaliza studiile postuniversitare în vânzări internaționale cu un masterat la „University of Applied Sciences” din Constance. Thomas poate fi contactat la adresa de email: thomas.brand@analog.com
Vizitați https://ez.analog.com
