Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) ‑ это функциональный элемент, однозначно преобразующий кодовые комбинации цифрового сигнала в значении аналогового сигнала (тока или напряжения). В большинстве случаев это преобразователь параллельного двоичного кода в напряжение постоянного тока. Характеристика преобразования имеет вид

,(5)

Где выходное напряжение ЦАП; эталонное напряжение; – n-разрядный двоичный код, причем принимают значения 0 или 1.

Зависимость между U_вых и значением кода для четырех разрядного преобразователя приведена на рис.15.Высота ступеньки U,называемая уровнем разрешения, соответствует изменению значения младшего значащего разряда кода (MЗР) и составляет .

Рис.15.Характеристика четырехразрядного ЦАП (а)и функциональное обозначение ЦАП (б).

Если обозначить через N десятичный эквивалент двоичного кода, то характеристику преобразования (5) можно представить в виде

.

В табл.3 приведена зависимость между разрядностью двоичного кода, количеством уровней квантования, уровнем разрешения и динамическим диапазоном преобразуемого сигнала. Под динамическим диапазоном понимается отношение (в дБ) максимального уровня сигнала к минимально различимому.

 

Разрядность	Количество уровней	Уровень разрешения, В для Uэт=10В	Динамический диапазон, дБ
		0,625
		0,156
		0,039
		0,00976
		0,00244

Принципы построения ЦАП.

В основе построения большинства типов ЦАП лежит суммирование аналоговых величин (токов, напряжений),значения которых пропорциональны весам разрядов двоичного кода. Простейший вариант такого преобразователя, реализующий принцип суммирования взвешенных токов на базе ОУ, показан на рис.16.Схема соответствует четырехразрядному преобразователю.

Рис. 16. Схема ЦАП с суммированием взвешенных токов.

Ток в каждой из четырех параллельных входных ветвей определяется величиной и номиналом соответствующего резистора. Подключениеветвей осуществляется управляемыми ключами при единичном значении цифрового сигнала соответствующего разряда. Единица в младшем разряде приводит к подключению цепи с резистором 8R, при этом выходное напряжение изменяется на минимальное значение, равное уровню разрешения т.е.

.

Выбором величины R_oc можно задавать максимальное значение (шкалу ЦАП) соответствующее максимальному значению двоичного кода.

При большой разрядности ЦАП разница между сопротивлениями резисторов крайних ветвей становится очень большой, что трудно реализовать, особенно в интегральном исполнении. По этойпричине преобразователи большой точности (и разности)часто выполняются по лестничным схемам типа R‑2R.

Рис. 17 ЦАП с лестничной схемой R-2R

На рис. 17 приведена схема четырехразрядного ЦАП, выполненного на базе цепи R‑2R и не инвертирующего повторителя. При замыкании, например, ключа К3 старшего разряда двоичного кода выходное напряжение составит 0,5 U_эт, т.е. будут соответствовать весу старшего разряда. При замыкании только ключа К2 U_вых=0,25 U_эт и т.д. Достоинством преобразователя такого вида является использование резисторов всего двух номиналов, что легко реализуется в микроэлектронном исполнении.

Аналоговые ключи преобразователей выполняются исключительно бесконтактными на базе биполярных и униполярных транзисторов. Для униполярных транзисторов характерно отсутствие остаточного напряжения во включенном состоянии, кроме того, на их основе можно строить ключи, коммутирующие напряжение произвольной полярности.

В ЦАП с такими ключами может использоваться источник эталонного напряжения любой полярности и любого уровня напряжения. Конечно, в схеме ЦАП для получения хорошего соотношения С/Ш напряжения следует выбирать по возможности большим. Однако такой ЦАП можно рассматривать и как аналого-цифровой перемножитель сигнала (рис.18).

Рис. 18 ЦАП в качестве управляемого кодом коэффициента.

Эту же схему можно интерпретировать как управляемый двоичным кодом коэффициент передачи (цифровой потенциометр).

Преобразование чисел со знаком. При преобразовании кода в разнополярный аналоговый сигнал приходится учитывать три способа представления чисел со знаком.

Рис. 19 Коммутация полярности ЦАП знаковым разрядом

В первом, простейшем способе, для обозначения знака чисел используется специально отведенный разряд (например, q_n). В зависимости от значения этого разряда организуют инверсию выходного сигнала ЦАП, так как это показано на рис. 19.

Вторым способом представления знакопеременного числа является смещенный код. В этом коде число ноль соответствует точно половине шкалы обычного двоичного кода (для четырехразрядного кода это соответствует двоичному числу 1000). Справа по шкале отсчитываются по возрастанию модуля положительные числа. Слева по шкале, также по возрастанию модуля, расположены отрицательные числа. Наибольшее по модулю положительное число соответствует 1111 обычного двоичного четырехразрядного кода. Наибольшее по модулю отрицательное число соответствует коду 0000.

Рис. 20 Преобразование разнополярного сигнала смещенным кодом

На рис. 20 приведена зависимость U_вых от значения четырехразрядного двоичного кода при использовании смещенного представления чисел со знаком. Для смещенного кода наиболее просто реализуется преобразование числа со знаком в разнополярный аналоговый сигнал. В этом случае смещенный код подается на ЦАП как обычный двоичный код, а выходное напряжение ЦАП сдвигается на половину шкалы в область отрицательных напряжений, как это показано на рис. 21.

Рис. 21 Цифроаналоговое преобразование двоичных чисел со смещенным кодом

В большинстве микропроцессорных систем используется третий способ представления отрицательных чисел – в виде дополнительного кода (отрицательное число в дополнительном коде образуется инверсией всех разрядов соответствующего по модулю положительного числа с последующим прибавлением единицы к младшему разряду).

Характеристика преобразования кода в двухполярный сигнал в этом случае выглядит несколько необычно (рис. 22).

Рис. 22 Представление разнополярного сигнала дополнительным кодом

Схема, реализующая такую характеристику, приведена на рис. 23. Отличие от схемы со смещением состоит в том, что старший разряд двоичного слова перед подачей на вход ЦАП инвертируется.

Рис. 23 Цифроаналоговое преобразование двоичных чисел с дополнительным кодом

Технические характеристики ЦАП. Основной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяемая числом разрядов преобразуемого кода n. Теоретически ЦАП должен обеспечить 2ⁿ различных значений выходного сигнала, различающихся друг от друга точно на величину уровня разрешения V_ЭТ 2^-n. Различного рода погрешности, вызванные неидеальностью ключей, температурной нестабильностью элементов, нелинейными явлениями, приводят к отличию реального значения разрешающей способности от теоретического. В большинстве случаев разработчики ЦАП стремятся к тому, чтобы все составляющие погрешностей в совокупности не приводили к появлению абсолютной погрешности, превышающей уровень разрешения преобразователя, или, в пересчете на цифровой код, ± ½ единицы МЗР. В тех случаях, когда это требование не соблюдается, в технических характеристиках оговариваются характер и величина погрешности преобразования.

Следующей важной характеристикой ЦАП является время преобразования t_пр. Под ним понимается временной интервал от момента начала преобразования до появления окончательного результата с точностью, определяемой разрешающей способностью преобразователя. С временем преобразования тесно связано такая характеристика, как частота преобразования f_пр, определяющая максимальную скорость смены кода, при которой ЦАП сохраняет свои точностные параметры.

Серийные ЦАП. Подавляющее большинство современных ЦАП изготавливается в виде микросхем. В состав микросхем обычно входят источники взвешенных токов (или наборы резисторов), ключи и схемы управления ключами. Источник эталонного напряжения и выходной усилитель подключаются к такому ЦАП дополнительно. В ряде ЦАП для облегчения согласования с шиной данных МП-системы имеются дополнительные регистры ‑ защелки для хранения в цифровом виде преобразуемой информации.

В табл. 4 приведены технические характеристики общепромышленных ЦАП в интегральном исполнении

Таблица 4

Тип	n	tпр, мкс	Uэт, В	Примечание
К572ПА1(А-Г)			±15	Множительный
К572ПА2(А-Г)			±15	То же
К594ПА1		3,5	+10	Биполярный
К1108ПА1(А, Б)		0,7	+10	То же
К1118ПА1		0,02	+10	Быстродействующий