Цель: получить основные сведения цифроаналоговых преобразователях (ЦАП).
Образовательные результаты по ФГОС:
Знать: сущность физических процессов, протекающих в электронных приборах и устройствах; принципы включения электронных приборов и построения электронных схем;
типовые узлы и устройства электронной техники.
Уметь: определять и анализировать основные параметры электронных схем и устанавливать по ним работоспособность устройств электронной техники; производить подбор элементов электронной аппаратуры по заданным параметрам.
Задание: составить конспект лекции, выделить главное, ответить на контрольные вопросы.
План.
Тема:Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)
Цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) называется устройство для преобразования значения цифрового кода (двоичного числа) в пропорциональное значение аналоговой величины (напряжения). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровыми и аналоговыми сигналами.ЦАП применяется всегда в телекоммуникационных системах и системах управления. Например:
-в системах воспроизведения аудио;
-в дисплеях;
-формирование информационного сигнала для смесителей и управляемых генераторов;
-в системах управлением двигателем;
-в системах прямого цифрового синтеза (DDS - Direct digital synthesizer).
Для описания цифро-аналоговых преобразователей в общем случае используют следующие характеристики.
Общие.
1.Разрядност ь. Определяет количество уровней аналогового сигнала, которое может воспроизводить ЦАП. Для N разрядного ЦАП число уровней аналогового сигнала равно 2N (включая значение для нулевого кода);
2.Напряжение питания.
Статические характеристики.
1.Статическая характеристика преобразования — это зависимости значения выходного сигнала ЦАП от значения входного кода.
2.Статическая нелинейность. Для описания статической нелинейности используют две величины: дифференциальная нелинейность (DNL) и интегральная нелинейность (INL).
3.Монотонность. Одна из важнейших характеристик ЦАП, которая говорит о том, что при увеличении кода значение аналогового сигнала также увеличивается. Унарная архитектура гарантирует монотонность. Для бинарной архитектуры монотонность не гарантируется.
4.Смещение нуля.
5.Ошибка усиления.
Динамические характеристики.
1.Максимальная частота смены входного кода. Это максимальная частота, с которой можно изменять входной код ЦАП, получая при этом корректный результат на выходе.
2.SNR (отношение сигнал/шум). Считается как отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к сумме амплитуд всех остальных гармоник в спектре выходного сигнала, кроме кратных, и выражается в децибелах;
3.SFDR (динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих). Считается как отношение амплитуды восстанавливаемого гармонического сигнала к амплитуде наибольшей гармоники в спектре выходного сигнала, также выражается в децибелах. Эту характеристику так же ещё называют "динамической линейностью".
4.Потребляемая мощность.
В последовательных ЦАП входной код преобразуется в аналоговый сигнал поразрядно. При этом для преобразования всех разрядов используется одна и та же схема, что значительно упрощает устройство, однако скорость преобразования в таких обратно пропорциональна разрядности. Не стоит путать способ преобразования и входной интерфейс устройства: на вход последовательного ЦАП входной код может подаваться как последовательно, так и параллельно. К последовательным ЦАП можно отнести следующие виды:
1. Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП (широ́тно-и́мпульсная модуля́ция (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)) — процесс управления мощностью методом пульсирующего включения и выключения потребителя энергии. Различают ана́логовую ШИМ и цифрову́ю ШИМ, дво́ичную (двуху́ровневую) ШИМ и трои́чную (трёхуровневую) ШИМ). Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi-аудиотехнике.
2. Циклический ЦАП (cyclic DAC);
3. Конвейерный ЦАП (pipeline DAC);
4. ЦАП передискретизации, такие, как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования.Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчётов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот, и улучшается подавление шума квантования.
Параллельные ЦАП строятся на основе архитектуры.Архитектура ЦАП - это способ формирования выходного сигнала на функциональном уровне. Иначе говоря, это описание того, на сумму из каких чисел будет раскладываться значение выходного сигнала. Выходной сигнал формируется с помощью взвешивающих элементов, каждый из которых отвечает за свою "порцию" выходного аналогового сигнала. Различают следующие архитектуры по набору значений взвешивающих элементов.
1.Бинарная архитектура-соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 2. То есть выходной сигнал формируется так же, как это происходит в двоичной системе счисления (это позиционная система счисления с основанием 2. Благодаря непосредственной реализации в цифровых электронных схемах на логических вентилях, двоичная система используется практически во всех современных компьютерах и прочих вычислительных электронных устройствах).Соответственно, веса элементов, формирующих выходной сигнал, в нормированном виде, будут равны 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. Управление взвешивающими элементами осуществляется бинарным кодом (это коды которые состоят только из двух символьных состояний например черный или белый, светлый или темный, проводник или изолятор. Бинарный код в цифровой технике - это способ представления данных (чисел, слов и других) в виде комбинации двух знаков, которые можно обозначить как 0 и 1. Знаки или единицы БК называют битами. Одним из обоснований применения БК является простота и надежность накопления информации в каком-либо носителе в виде комбинации всего двух его физических состояний, например в виде изменения или постоянства светового потока при считывании с оптического кодового диска).
2.Унарная архитектура-соотношение двух соседних взвешивающих элементов равно 1. То есть выходной сигнал формируется так же, как это происходит в унарной системе счисления (уна́рная (едини́чная, ра́зная) систе́ма счисле́ния — непозиционная система счисления с единственной цифрой, обозначающей 1).В качестве единственной «цифры» используется «1», чёрточка (|), камешек, костяшка счётов, узелок, зарубка и др. В этой системе число n записывается при помощи n единиц. Например, 3 в этой системе будет записано как. По-видимому, это хронологически первая система счисления каждого народа, овладевшего счётом.Соответственно, веса всех элементов, в нормированном виде, равны 1. Управление осуществляется унарным (это энтропийное кодирование, которое представляет число n в виде n единиц с замыкающим нулём (либо n нулей и единица). Например 5 представляется в виде 111110 (если кодируются только положительные числа без нуля, то представление может быть на один бит короче, например, 000001 может записывать число 6)или унитарным кодом (это двоичный код фиксированной длины, содержащий только одну 1 — прямой унитарный код или только один 0 — обратный (инверсный) унитарный код. Длина кода определяется количеством кодируемых объектов, то есть каждому объекту соответствует отдельный разряд кода, а значение кода положением 1 или 0 в кодовом слове).
3.Архитектура Фибоначчи-веса элементов представляют собой последовательность чисел Фибоначчи (чи́сла Фибона́ччи (вариант написания - Фибона́чи — элементы числовой последовательности0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144, 233, 377, 610, 987, 1597, 2584, 4181, 6765, 10946, 17711, … (последовательность A000045 в OEIS),в которой первые два числа равны либо 1 и 1, либо 0 и 1, а каждое последующее число равно сумме двух предыдущих чисел. Названы в честь средневекового математика Леонардо Пизанского (известного как Фибоначчи). Выходной сигнал формируется так же, как это происходит в Фибоначчиевой системе счисления (смешанная система счисления для целых чисел на основе чисел Фибоначчи F2=1, F3=2, F4=3, F5=5, F6=8 и т. д.)
Кроме того, существует понятие сегментной архитектуры, которая предполагает разделение входного кода на несколько групп. Как правило, две. Каждая группа обрабатывается независимо своим сегментом. Выходные сигналы всех сегментов комбинируются, образуя выходной сигнал ЦАП. Наиболее часто встречается следующая конфигурация сегментной архитектуры: младшие разряды обрабатываются сегментом, построенном по бинарной архитектуре, старшие разряды - сегментом, построенном по унарной архитектуре.
Цифро-аналоговые преобразователи независимо от архитектуры могут использовать в качестве элемента, взвешивающего аналоговый сигнал, следующие типы компонентов: конденсаторы, резисторы и источники тока.
Конденсаторы. Данный тип взвешивающих элементов в случае применения в бинарной архитектуре может либо иметь номиналы, отличающиеся у соседних элементов в 2 раза, либо иметь номиналы 1 и 2 и формировать лестничную цепь C-2C.
Резисторы. Данный тип взвешивающих элементов имеет те же принципы построения, что конденсаторы. Кроме того, существуют реализации подобных структур на основе не резисторов, а транзисторов, выступающих в роли резисторов. Такие цепи называются M-2M.
Источники тока. Это, как правило, транзистор в режиме насыщения. Использование данных типов взвешивающих элементов позволяет обойтись без буферов, которые необходимы для других типов взвешивающих элементов.
Для формирования веса взвешивающего элемента есть следующие способы.
1.Масштабирование номиналов. С точки зрения полупроводниковой технологии это всегда эквивалентно масштабированию размеров элементов.
2.Использование лестничной структуры. Применимо только к ёмкостным и резистивным взвешивающих элементам. В зависимости от типа взвешивающего элемента такие структуры получают названия R-2R, C-2C или M-2M (вместо резисторов используются транзисторы).
3.Инжекция заряда на плавающий затвор. Применимо лишь для специальных технологий, предусматривающих формирование плавающего затвора у транзистора. Как правило, это технологии, предназначенные для изготовления энергонезависимой памяти.
Структуры параллельных ЦАП.
1.ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключённый на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;
2.ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое — матрица токов и инверсное — матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой плёночных резисторов, расположенных на одной подложке гибридной микросхемы, достигается точность 20—22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды). В троичных ЦАП матрица постоянного импеданса состоит из резисторов 3R-4R с терминатором 2R.
Наиболее распространены ЦАП на основе многозвенной цепи резисторов типа R-2R (рисунок 1), которая содержит резисторы R0 = R1 = R2 = R3 = R4 = 2R, R12 = R23 = R34 = R. Резисторы R1, R2, R3, R4 через переключатели П1,П2,П3,П4 управляемые значениями 1 или О соответствующих разрядов А1,А2,А3,А4, кода двоичного числа, подключаются либо к инвертирующе му входу операционного усилителя, либо к точке О с нулевым потенциалом V0 =О. При этом, полагая ОУ идеальным (15.11), е. напряжение на его входе Ивхоу =О, токи в резисторах не будут зависеть от положения переключателей. Это определяет высокую точность ЦАП. Рассмотрим работу схемы ЦАП на рисунке 1.
Рисунок 1- Схема ЦАП на основе многозвенной цепи резисторов типа R-2R
Резисторы R1 и R0 включены параллельно и имеют равные сопротивления. Их общее сопротивление при любом положении переключателя П1 равно сопротивлению резистора R12, который включен с ними последовательно, поэтому потенциал точки 2 равен V2 = 2V1. Рассуждая аналогичным образом, получим значения потенциалов точек 3, 4 и токов
где n = V4 - V0 = V4 - стабилизированное постоянное напряжение, называемое опорным. Соотношения значений токов в ре исторах R1, R2, R3, R4 соответствуют «весам» разрядов кода двоичного числа А1,А2,А3,А4, т.е. 2° = 1, 21 = 2, 22 = 4, 23 = 8, управляемого переключателями. Следовательно, значение напряжения на выходе ЦАП
пропорционально значениям кода двоичного числа на его входе. Основными параметрами ЦАП являются допустимые диапазоны изменений значений входных и выходных величин, быстродействие (до 5 мкс) и погрешность преобразования. Посл дняя определяется нестабильностью источника опорного напряжения, неидеальностью электронных переключателей и ОУ.
Контрольные вопросы.
1. Каково назначение цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП)?
2. Какие принципы функционирования используются в различных типах ЦАП?
3. Перечислите основные классификационные признаки ЦАП.
4. Какие базовые узлы используются при построении преобразователей?
Источник.
1. Немцов М.В. Н507 Электротехника и электроника: учебник для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования/ М. В. Немцов, М.Л. Немцова. - 6-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2013. - 480 с. ISBN 978-5-4468-0432-0
2. https://ru.wikipedia.org/wiki
Видео.
1. https://www.youtube.com/watch?v=MQeK5ee8Zfk