Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

При построении устройств, связывающих управляющую ЭВМ с объектами, использующими информацию в непрерывной форме, требуется преобразование информации из цифровой формы в аналоговую (непрерывную) и из аналоговой в цифровую. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) широко используется там, где необходимо с помощью цифровой информации, выдаваемой ЭВМ, управлять аналоговыми устройствами. Кроме того, ЦАП используются в составе аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для формирования опорного аналогового сигнала (тока или напряжения), с которым сравнивается преобразуемый сигнал.

Рассмотрим сначала цифро-аналоговое преобразование, поскольку оно проще с точки зрения принципа действия и способа построения, и, кроме того, ЦАП иногда на практике используются как компоненты АЦП.

Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство, преобразующее цифровой двоичный код в эквивалентную ему аналоговую величину (напряжение или ток).

Цифро-аналоговый преобразователь предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. В дальнейшем будем считать выходным сигналом ЦАП напряжение.

Условные графические обозначения ИМС ОЗУ

Рис. 11.57. Условные графические обозначения ИМС ОЗУ:

а — К537РУ13 — статическое ОЗУ; б — К565РУ5 — динамическое ОЗУ

Напряжение на выходе ЦАП будет наибольшим (Нвых = Нмакс), когда во всех разрядах входного кода — логические единицы, т.е. когда его вес Q максимальный. Величина QMaKC = 2п -1, где п — разрядность кода. Считая зависимость (7ВЫХ от Q линейной, можно записать приращение выходного напряжения на каждую единицу входного кода (от приращения кода на единицу в младшем разряде) AU = UMaKC / 2п - 1. Величину AU называют квантом.

По существу, диапазон выходного напряжения [7макс разбивается входным кодом на ряд одинаковых интервалов, каждый из которых равен кванту AU. Их границами являются квантованные уровни (AU, 2AU, 3AU и т.д.).

Выходное напряжение «набирается» из квантов. Поскольку квант — наименьшая составляющая выходного напряжения, то последнее может быть равно только целому числу квантов. За счет этого погрешность преобразования код-аналог нельзя гарантировать меньшей кванта AU.

На рис. 11.58 изображена зависимость выходного напряжения ЦАП от величины кода на входе.

Структура ЦАП обеспечивает передачу на выход стольких квантов, каков вес входного кода. Если во всех разрядах кода присутствуют лог.О, то Пвых = 0. При наличии лог.1 только в первом (младшем) разряде на выход ЦАП выводится один квант — [/вых = AU. Это минимальное приращение выходного напряжения ЦАП, вызванное увеличением входного кода на единицу в младшем разряде. При наличии лог.1 только во втором разряде на выход передается 2 кванта, при наличии лог. 1 только в третьем разряде — 4 кванта и т.д. Напряжение на выходе ЦАП при наличии логических единиц в нескольких разрядах входного кода является суммой напряжений, каждое из которых обусловлено единицей в соответствующем разряде. Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально весу присутствующего на входах кода, т.е. его десятичному эквиваленту. Сменяющиеся входные коды обусловливают изменяющееся напряжение на выходе ЦАП.

Классификация и основные характеристики. Схемотехника ЦАП весьма разнообразна. ЦАП можно классифицировать по схемотехническим признакам на последовательные и параллельные. Последовательные могут быть на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и на переключающих конденсаторах. Параллельные могут быть с суммированием напряжений, суммированием токов и суммированием зарядов.

Зависимость выходного напряжения ЦАП от величины кода на входе

Рис. 11.58. Зависимость выходного напряжения ЦАП от величины кода на входе

Кроме этого, ИМС ЦАП классифицируются по следующим признакам:

  • по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения;
  • по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;
  • по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;
  • по быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Основными характеристиками ЦАП являются:

  • • разрешающая способность;
  • • время преобразования;
  • • диапазон изменения выходной величины;
  • • погрешность нелинейности;
  • • дифференциальная погрешность;
  • • полное выходное сопротивление (ZBbIX);
  • • температурный коэффициент нестабильности.

Точность определяется отклонением действительной выходной аналоговой величины от ее теоретического значения. На точность ЦАП влияют значения основных параметров и температурные дрейфы: эталонного источника, суммирующего усилителя, декодирующей схемы и аналоговых ключей.

Разрешающая способность — минимальное значение входной величины, которое определяет соответствующее изменение выходной величины: 1 2

где п — разрядность ЦАП.

Чем больше разрядность цифрового кода на входе ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

Время преобразования — это интервал времени между поступлением цифрового кода на вход ЦАП и временем установления соответствующего ему значения напряжения или тока на выходе. Оно определяется в основном быстродействием ключей и декодирующей схемы.

Под диапазоном изменения напряжения (77) или тока (7) понимают полную шкалу изменения напряжения от 0 до Т/вых тах или тока от О

ДО ^вых max’

Погрешность нелинейности — это максимальное отклонение выходной величины от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

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

Полное выходное сопротивление ЦАП (ZBbIX) определяется со стороны выходных зажимов. Оно зависит в основном от выходного сопротивления суммирующего усилителя и имеет порядок сотен Ом.

Температурный коэффициент нестабильности (ТКН) ЦАП определяется степенью изменения выходного напряжения (10 или тока (!) от температуры (%/°С) в рабочем диапазоне температур. В рабочем диапазоне температур t = 0—40°С (для ±20°С) при ТКН = 0,01 %/°С получим значение относительной погрешности ЦАП от температуры на краю диапазона 8 = ±0,2%.

Наиболее широкое распространение на практике получили параллельные ЦАП. Из них рассмотрим ЦАП с двоично-взвешенными резисторами и ЦАП с резистивной матрицей R-2R.

Цифро-аналоговый преобразователь с двоично-взвешенными резисторами. Схема ЦАП с двоично-взвешенными резисторами приведена на рис. 11.59. ЦАП состоит из следующих компонентов:

  • п ключей S0Sn_b по одному на каждый разряд а0ап_г, управляемых преобразуемым двоичным кодом N;
  • • матрицы двоично-взвешенных резисторов R—R • 2-^-1);
  • • источника опорного напряжения Uon;
  • • выходного операционного усилителя DA, с помощью которого суммируются токи, протекающие через двоично-взвешенные резистора, для получения аналогового выходного сигнала Нвых пропорционального цифровому коду.
Схема ЦАП с двоично-взвешенными резисторами

Рис. 11.59. Схема ЦАП с двоично-взвешенными резисторами

На вход ЦАП подается двоичный код N, состоящий из п двоичных разрядов:

Десятичный эквивалент, которого определяется выражением

Каждый i-й разряд управляет ключом St который подключается к инвертирующему входу операционного усилителя (ОУ), когда а, = 1, или к общей шине, когда а, = 0. Сопротивления резисторов, соединенных с ключами, таковы, что обеспечивается пропорциональность протекающего в них тока двоичному весу соответствующего разряда входного кода. Сопротивление резистора в младшем разряде имеет значение R, сопротивление следующего резистора R/2 и т.д. до сопротивления резистора в старшем разряде, значение которого R/2п~1.

Операционный усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, следовательно, выходное напряжение ЦАП определяется по формуле

Таким образом, выходное напряжение Нвых ЦАП получается путем суммирования одного входного напряжения Uon с различными коэффициентами усиления по входам. Из схемы (рис. 11.58) видно, что в любом положении переключателей S, они соединяют нижние выводы резисторов R—R2~(n-D либо с общей шиной схемы, либо с инвертирующим входом DA. Учитывая, что потенциал инвертирующего входа близок к нулю, то источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление, определяемое сопротивлением R и количеством разрядов п ЦАП. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Максимальное выходное напряжение ЦАП имеет место, когда все разряды а{ примут значение равное единице. Номиналы резисторов в младшем и старшем разрядах отличаются в 2п~1 раз и должны быть выдержаны с высокой точностью. Например, для 12-разрядного ЦАП использование в старшем разряде сопротивления 10 кОм потребует включения в младший разряд преобразователя сопротивления порядка 20 МОм. Это создает трудности при реализации ЦАП посредством интегральной технологии.

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде (24) не должен превышать 3%, а в 10-м разряде (210) — 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема ЦАП при всей ее простоте обладает следующими недостатками:

  • • значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС.
  • • сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением реального замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования.

Эти недостатки устранены в ЦАП с резистивной матрицей R-2R.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >