Назначение и виды цифро-аналоговых

Преобразователей

Основные параметры ЦАП

Принципы построения ЦАП

Серийные микросхемы ЦАП

Назначение и виды цифро-

Аналоговых преобразователей

Для сопряжения микропроцессорных систем и микро-ЭВМ с внешними устройствами применяются цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи.

Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется электронные устройства, предназначенные для преобразования цифровой информации в аналоговую. Они используются для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанного с управляющим кодом. В большинстве случаев эта функциональная зависимость является линейной. Наиболее часто ЦАП используются для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с системами, работающими с аналоговыми сигнала­ми. Кроме этого, ЦАП используются в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях и в устройствах сравнения цифровых величин с ана­логовыми.

ЦАП применяются в системах передачи данных, в измерительных приборах и испытательных установках, в син­тезаторах напряжения и генераторах сложных функций, для формирования изоб­ражений на экране дисплеев и др. В связи с этим разработано и выпускается большое количество интегральных микросхем ЦАП.

Схемы ЦАП можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, виду выходного сигнала, полярности выходного сигнала, элементной базе и др. По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП следую­щих видов: со сложением токов, с делением напряжения и со сложением напряже­ний.

По виду выходного сигнала ЦАП делят на два вида: с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока ЦАП в напряже­ние обычно используются операционные усилители. В зависимости от полярности выходного сигнала ЦАП принято делить на однополярные и двухполярные.

Управляющий код, подаваемый на вход ЦАП, может быть различным: двоич­ным, двоично-десятичным, Грея, унитарным и др. Кроме того, различными могут быть и уровни логических сигналов на входе ЦАП.

При формировании выходного напряжения ЦАП под действием управляюще­го кода обычно используются источники опорного напряжения.

Кроме этого, ЦАП классифицируют по основным характеристикам: количеству разрядов, быстродей­ствию, точности преобразования, потребляемой мощности.

Основные параметры ЦАП

Все параметры ЦАП можно разделить на две группы: статические и динамические. К статическим параметрам ЦАП относятся: разрешающая способность, погрешность преобразования, диапазон значений вы­ходного сигнала, характеристики управляющего кода, смещение нулевого уровня и некоторые другие.

К динамическим показателям ЦАП принято относить: время установления выходного сигнала, предельную частоту преобразования, динамическую погреш­ность. Рассмотрим основные параметры ЦАП.

Разрешающая способность ЦАП определяется как величина, обратная макси­мальному количеству градаций выходного сигнала. Так, например, если разреша­ющая способность ЦАП составляет 10^-5, то это означает, что максимальное число градаций выходного сигнала равно 10⁵. Иногда разрешающую способность ЦАП оценивают выходным напряжением при изменении входного кода на единицу младшего разряда, т. е. шагом квантования. Очевидно, что чем больше разряд­ность ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность преобразования ЦАПпринято делить на дифференциальную и погрешность нелинейности. С ростом кода на входе ЦАП растет и выходное напря­жение, однако при увеличении напряжения могут быть отклонения от линейной зависимости.

Погрешностью нелинейности называют максимальное отклонение вы­ходного напряжения от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Дифференциальной погрешностью называют максимальное отклонение от ли­нейности для двух смежных значений входного кода.

Напряжение смещения нуляопределяется выходным напряжением при вход­ном коде, соответствующем нулевому значению.

Время установления t_уст - это интервал времени от подачи входного кода до достижения выходным сигналом заданного предела, определяемого погрешностью.

Максимальная частота преобразования — наибольшая частота дискретиза­ции, при которой все параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

По совокупности параметров ЦАП принято делить на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления меньше 100 нс. К прецизионным относят ЦАП, имею­щие погрешность нелинейности менее 0,1%.

Принципы построения ЦАП

Существует несколько схем, являющихся базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса. Для фор­мирования соответствующих уровней выходного напряжения (или тока) к выходу ЦАП подключается необходимое количество опорных сигналов E₁,E₂, ..., Е_n (или токов I₁,I₂, ..., I_n), либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления K₁,K₂, ..., K_n.

На рис. 1.1 приведена схема ЦАП с суммированием токов. В этой схеме используются п опорных источников тока I₁, I₂, ..., I_n. Входной код b₁, b₂, ..., b_n управляет ключами S₁, S₂, ..., S_n, которые или подключают источники тока к нагруз­ке, или замыкают их накоротко. При этом если bi = 0, то соответствующий источник закорочен и в работе схемы не участвует. Если же bi = 1, то соответствующий источник тока подключен к нагрузке. Результирующий ток равен сумме токов опорных источников, для которых bi = 1. Напряжение на выходе будет равно ре­зультирующему току I_S умноженному на сопротивление Rн, т. е.

U_вых = I_S × Rн. (1.1)

Так, например, если входной код является двоичным, то результирующий ток определяется выражением:

I_S = I₀∙(b₁ × 2^n-1 + b₂ × 2^n-2 +...+ b_n × 2⁰) = I₀ N, (1.2)

где п - число двоичных разрядов входного кода, N - n-разрядное цифровое слово.

Рис. 1.1. Упрощенная схема ЦАП с суммированием токов

Упрощенная схема ЦАП со сложением напряжений приведена на рис. 1.2. В этой схеме ис­пользуется п опорных источников напряжения E₁, E₂, ..., E_n. Входной код управляет ключами S₁, S₂, ..., S_n, которые или под­ключают соответствующие источники опорного напряжения к нагрузке, или отключают их. Так же, как и для схемы с суммированием токов, при bi = 1 соответствующий источник напряжения включен, а при bi = 0 - выключен. Результирующее напряжение на выходе равно сумме напряжений включенных опорных источников.

Так, например, для входного двоичного кода выходное напряжение определя­ется по формуле

U_S = U₀ (b₁ × 2^n-1 + b₂ × 2^n-2 +...+ b_n × 2⁰) = U₀ N. (1.3)

Рис. 1.2. Упрощенная схема ЦАП с суммированием напряжений

Упрощенная схема ЦАП с делением опорного напряжения Е₀ приведена на рис.1.3. В этой схеме имеется один источник опорного напряжения и набор калиброванных сопротивлений R₁, R₂, ..., R_n, с помощью которых напряжение опорного источника может быть разделено до значения, соответствующего входному коду.

Выходное напряжение для схемы, приведенной на рис.1.3, определяется формулой

(1.4)

где R_S - результирующее сопротивление, устанавливаемое при помощи ключей S₁, S₂, ..., S_n, которые управляются входным кодом.

Рис. 1.3. Упрощенная схема ЦАП с делением напряжения

При Rн = 0 эта схема превращается в управляемый источник тока, т. е. рабо­тает так же, как схема со сложением то­ков. Практически выполнить условие Rн = 0 мож­но при помощи операционного усилите­ля с отрицательной обратной связью.

Практическая схема ЦАП со сложе­нием токов обычно выполняется на раз­личных резистивных матрацах и одном источнике опорного напряжения. На рис. 1.4 приведена схема ЦАП с сумми­рованием токов, в котором использован один источник опорного напряжения Е₀, и резистивная матрица типа R - 2R, изображенная на рис. 1.4 б. Особенность этой резистивной матрицы заключается в том, что при любом положении ключей S₁, S₂, ..., S_n входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следовательно, ток, втекающий в матрицу, равен I₀ =Ео/R. Далее он последовательно делится в узлах А, В, С по двоичному закону. Двоичный закон распределения токов в ветвях резистивной матрицы соблюдается при условии равенства нулю сопротивления нагрузки. Так как нагрузкой резистивной матрицы является операционный усили­тель ОУ, охваченный отрицательной обратной связью через сопротивление R_ос, то его входное сопротивление равно нулю с достаточно высокой точностью.

Рис. 1.4. Схема ЦАП со сложением токов на резистивной матрице

типа R—2R (а) и структура резистивной матрицы (б)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: