Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Назначение и виды цифро-аналоговых преобразователей. Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется электронное устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации в аналоговую. Они используются для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанною 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.

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. По 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. В зависимости от вида источника опорного напряжения ЦАП делят на две группы: с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением. Кроме этого, ЦАП делят 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 относят: разрешающую 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 некоторые из этих параметров.

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 ЦАП принято 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 нуля определяется выходным напряжением при вход­ном коде, соответствующем нулевому значению.

Время установления t_ycт — это интервал времени от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы, определяемые 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 Е_1,Е₂...Е_n (или токов I₁,I₂...I_n), либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления К₁,К_г...К_n.

На рис. 1.1 приведена схема ЦАП с суммированием токов. В этой схеме используются n опорных источников тока I₁,I₂...I_n. Входной код b_],b₂...b_n управляет ключами S₁,S₂...S_n, которые или подключают источники тока к нагруз­ке, или замыкают их накоротко. При этом если b_i=0, то соответствующий источ­ник закорочен и в работе схемы не участвует Если же b_i= 1, то соответствующий источник тока подключен к нагрузке. Результирующий ток равен сумме токов опорных источников, для которых b_i= 1.

Рисунок 1.1 – Упрощенная схема ЦАП с суммированием токов

Напряжение на выходе будет равно ре­зультирующему току I_Σ умноженному на сопротивление R_n, т. е.

U_m=I _Σ R_n.

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

I _Σ =I_o(b₁2^n-l + b₂2^n-2+...+b_n2^o)=I_oN,

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

Упрощенная схема ЦАП со сложением напря­женийприведена на рис. 1.2. В этой схеме ис­пользуется п опорных источников напряжения Е_ъ Е₂...Е_п. Входной код управляет ключами S_b 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 b_i = 1 соответствующий источник напряжения включен, а при b_i =0 — выключен. Результирующее напряжение на выходе равно сумме на­пряжений включенных опорных источников.

Рисунок 1.2 - Упрощенная схема ЦАП с суммированием напряжений

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

Практическая схема ЦАП со сложе­нием токов обычно выполняется на раз­личных резистивных матрацах и одном источнике опорного напряжения. На рис. 1.3 приведена схема ЦАП с сумми­рованием токов, в котором использован один источник опорного напряжения Ео и резистивная матрица типа R—2R, изображенная на рис. 1.3 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₌E₀/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.

Рисунок 1.3 - Схема ЦАП со сложением токов на резистивной матрице типа R—2R (а) и структура резистивной матрицы (б)

Напряжение на выходе операционного усилителя определяется выражением

где b_i=1, если ключ S₁ находится в положении, при котором ток протекает на инвертирующий вход ОУ, и b_i=0, если ключ S₁находится в положении, при кото­ром ток протекает в общий вывод, п — число разрядов преобразователя.

Максимальное значение выходного напряжения (т. е. напряжение в конечной точке диапазона) имеет место при всех b_i= 1иопределяется по формуле:

где h — шаг квантования, т. е. приращение выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда:

Выходное напряжение ЦАП зависит не только от входного кода N, но и от напряжения Е_о опорного источника. Если допустить, что напряжение Е_о меняется, то выходное напряжение ЦАП будет пропорциональ­но произведению двух величин: входного кода и напряжения, поданного на вход опорного сигнала. В связи с этим такие ЦАП обычно называют перемножающи­ми. В интегральных микросхемах перемножающих ЦАП источник опорного напряжения отсутствует, но имеется вход для его подключения.

Другой тип ЦАП со сложением токов реализуется на матрице со взвешенны­ми резисторами. Схема ЦАП на основе взвешенных резисторов приведена на рис. 1.4. Из этой схемы видно, что ЦАП состоит из матрицы двоично-взвешен­ных резисторов, сопротивления которых определяются по формуле Ri=R2i-n; переключателей на каждый разряд, управляемых входными сигналами; источника опорного напряжения Е_о и сумматора на операционном усилителе ОУ в инверти­рующем включении.

Рисунок 1.4 - Схема ЦАП со сложением токов на матрице взвешенных резисторов

Поскольку прямой вход ОУ соединен с общим проводом, то за счет отрица­тельной обратной связи напряжение в суммирующей точке А также будет равно нулю, иначе говоря, резистивная матрица работает в закороченном режиме не­зависимо от состояния переключателей. Когда на цифровые входы ЦАП подан двоичный n-разрядный цифровой код, то каждый цифровой сигнал b_i управляет переключателем S₁, обеспечивая подключение резистора с сопротивлением R_i=R2^i-n к источнику опорного надряжения Е_о или к общему проводу. Если пред­положить, что внутренние сопротивления источника опорного напряжения и клю­чей равны нулю, то ток, протекающий в сопротивлении R_i, будет равен

Результирующий ток определяется суммой

Для обеспечения точности и стабильности резистивных матриц применяется лазерная подгонка резисторов.