9.4. ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Цифроаналогозые преобразователи предназначены для преобразования цифрового кода N в пропорциональные аналоговые уровни напряжения U(N). По принципу действия схемы ЦАП бывают: с суммированием и делением напряжения, с суммированием токов [22].

Выходное напряжение в схеме ЦАП с суммированием напряжения (рис. )

где — двоичный код; — число двоичных разрядов.

Выходное напряжение в схеме ЦАП с делением напряжения (рис. 9.13.6), где используется резистивная матрица типа

Коэффициент использования опорного напряжения в схеме на рис. , а в схеме на рис. 9.13,а этот коэффициент равен 1. Несмотря на это ЦАП по схеме на рис. с резистивной матрицей типа имеет следующее преимущество: для выполнения схемы требуются два резистора с сопротивлением R и (в отличие от схемы на рис. , для которой требуется резисторов сопротивлением ). Однако следует отметить, что схема на рис. имеет Солее низкое быстродействие, чем схема на рис. , так каксодержит больше паразитных емкостей и в ней используется многозвенный принцип передачи напряжения.

Для более высокой скорости преобразования на практике используют ЦАП с суммированием токов (рис. 9.13,в, г). Так как входное сопротивление и коэффициент усиления ОУ велики, то напряжение и ток во входной цепи ОУ близки к нулю. Следовательно, все токи — текущие через элементы резистивной цепи, уравновешиваются током , проходящим в цепи обратной связи. Выходное напряжение такого ЦАП

Для схемы на рис. 9.13, в сопротивление резисторов выходное напряжение

Рис. 9.13.

Для схемы на рис. 9.13, в с резистивной матрицей ток и выходное напряжение

Следует отметить, что в схемах ЦАП с суммированием токов (рис. 9.13, в, г) резистором можно менять коэффициент преобразования , так при .

Токи в резисторах (рис. 9.13, в, г) почти не зависят от входного кода, что обеспечивает их стабильный тепловой режим, однако изменения сопротивлений переключателей вызывают погрешность. Для уменьшения влияния сопротивления ключей применяют схемы ЦАП с резистивными матрицами и одинаковыми генераторами токов (рис. 9.13, д). Выходное напряжение в таком ЦАП

где цифровой код; шаг квантования (разрешающая способность).

В этом ЦАП генераторы тока имеют одинаковые динамические свойства, так как нагружены на одинаковые резисторы сопротивлением R. Это позволяет быстрее устанавливаться сигналам младших разрядов, а также уменьшает амплитуду и длительность выбросов. Такие сигналы используют в быстродействующих ЦАП, причем время установления не более . Однако в этом ЦАП имеется зависимость токов в резисторах от входного кода, что приводит к нестабильности их теплового состояния.

Выходное напряжение ЦАП можно рассматривать как функцию входного сигнала , где — коэффициент, пропорциональный цифровому коду на входе ЦАП. Если рассматривать как сигнал, который получается с помощью другого ЦАП, т.е. , где — коэффициент пропорциональный цифровому коду , тогда что представляет собой аналоговое напряжение, пропорциональное произведению двух чисел . При этом полярность выходного сигнала зависит от полярпости опорного напряжения при суммировании делении напряжения на резисторах (рис. 9.13, а, б) и имеет ту же полярность, что и , от способов суммирования токов (рис. 9.13, в — д) и от того, к какому входу ОУ (неинвертирующему ) приложен этот сигнал (ток ) (последний вариант включения ОУ наиболее распространенный).

Таким образом, выходные сигналы ЦАП могут располагаться в одном, двух или четырех квадрантах в зависимости от того, какие значения принимают (рис. 9.13,е). В простейших ЦАП эти величины принимают только один знак и выходной сигнал формируется в I или IV квадранте. В более сложных ЦАП используют специальные коды , имеющие обе полярности; выходные устройства (операинонные усилители), позволяющие изменять полярность выходного сигнала; коммутируемые источники опорного напряжения разной полярности. Кроме того, разработаны умножающие ЦАП, работающие с изменяющимися или биполярными опорными сигналами.

Точность преобразования ЦАП зависит от степени температурного согласования сопротивлений резистивных матриц, стабильности опорного напряжения, характеристик ОУ и внутренних сопротивлений переключателей. Погрешность переходного процесса, т. е. выбросы на фоне выходною снгнала обусловлены тем, что переключающие элементы ЦАП имеют разные времена включения и выключения. Особенно большие выбросы возникают, например, во время перехода кода от , при этом ключ самого старшего разряда ЦАП может открыться позже, чем закроются ключи младших разрядов. На выходе ЦАП некоторое время будет существовать код Этот появляющийся на мгновение код вызывает на выходе ЦАП активный сигнал Таким образом, если не принять необходимые меры, выходные сшналы быстродействующих ЦАП во время переходных процессов будут иметь большие всплески (рис. 9.14).

Основной характеристикой ЦАП является передаточная характеристика , которая представляет собой ступенчатую кривую. При этом реальная характеристика (рис. ) отличается от идеальной (рис. ). Для оценки этих различий вводятся статические и динамические параметры.

Рис. 9.14.

Статические параметры. Погрешность смещения нуля — выходное напряжение , когда на вход ЦАП подан код (рис. 9.15, в). Эта погрешность называется аддитивной.

Абсолютная погрешность преобразования - отклонение выходного напряжения от номинального, соответствующего Конечной точке характеристики преобразования (рис. 9.15,г). Измеряется в единицах младшего разряда. Эта погрешность пазываетя мультипликативной.

Нелинейность — отклонение реальной передаточной характеристики от идеальной (рис. ). Значение нелинейности не должно выходить за пределы .

Разрешающая способность — приращение при преобразовании смежных значений . Это приращение является шагом квантования , где — количество двоичных разрядов ЦАП.

Динамические параметры. Время установления выходного напряжения — интервал времени от момента подачи входного кода на вход ЦАП до момента, при котором выходное аналоговое напряжение окончательно войдет в зону шириной а: ЕМР или другой оговоренной величины, симметрично ложенной относительно установившегося значения (рис. 9.15,е).

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

Отечественная промышленность выпускает ЦАП в интегральном исполнении, параметры которых приведены в табл. 9.8 (6; 79; 84).

Рис. 9.15

(см. оригинал)

Таблица 9.8

Микросхема (рис. 9.16,а) являемся -разрядным ЦАП умножающего типа, построенного С суммированием токов и питающегося от опорного напряжения (рис. 9.13,г). Для ее функционирования необходимы внешние ИОН и ОУ.

Рис. 9.16.

Выходное напряженне схемы . Микросхема может работать в режиме двухквадрантного умножающего преобразования. Для этого предусмотрено подключение двухполярного ИОН, значение которого можно изменять в широких пределах .

Микросхема (рис. ) является -разрядным ЦАП умножающего типа.

В отличие от в ней имеются два 12-разрядных регистра , позволяющих считывать и хранить промежуточные преобразованные цифровые данные. Выходное напряжение ЦАП определяется кодом, записанным в . Выходное напряжение ЦАП определяется кодом, записанным в . При этом код в можно записать либо трансляцией входного кода через либо данных из и хранение данных в РП , либо данных в и хранение предыдущих данных в

Рис. 9.17.

Рис. 9.18.

Длительность импульсов по входам управления не должна превышать .

Микросхема (рис. 9.17) представляет собой -разрядный параллельный ЦАП с суммированием токов (рис. (рис. ) и комбинированной матрицей (взвешенных резисторов в восьми старших разрядах и в четырех младших разрядах), В схему ЦАП входят элементы, расширяющие ее функциональне возможности: два резистора с номиналом 5 кОм (выводы включение которых в цепь обратной связи внешнего ОУ обеспечивает работу ЦАП с однополярным (рис. 9.17,а) выходом по напряжению .

Резистор смещения выходного уровня (вывод 1, 2) обеспечивает режимы двухполярного (рис. ) сигнала .

Микросхема является быстродействующим -разрядным ЦАП с суммированием токов (рис. ). При использовании внутреннего резистора обратной свячн напряжениев конечном точке шкалы равно соответственно (рис. 9.18,а). Для перевода микросхемы в режим двухполярного сигнала необходимо подключить резистор (выводы 5, 7) между и токовым выходом (вывод 8). Это вызывает поступление на вход ОУ дополнительного тока, равного по величине и противоположного по знаку току старшего разряда. В режиме двухполярного сигнала управлять ЦАП можно смещенным двоичным кодом. Для работы в составе АЦП последовательного приближения применяют режим с суммированием токов на внешнем резисторе. В этом случае максимальное напряжение на выводе 8 не должно превышать .

Микросхема представляет собой 8-разрядный быстродействующий ЦАП для работы с ЭСЛ схемами. Выходной ток в конечной точке шкалы можно установить изменением опорного напряжения (рис. ).