МУ к лабораторным по ЭМПТ

2. Параллельные ЦАП с суммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного кода, причем должны суммироваться только токи тех разрядов, значения которых равны 1.

Например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого старшего значащего разря-

да весовой коэффициент будет равен 23 8, у третьего разряда 22 4, у

второго – 21 2 и у младшего – 20 1. Ток младшего разряда должен быть равен 1мА, а старшего – 8мА, тогда максимальный выходной ток преобразователя Iout _max 15мА и соответствует коду 11112. Коду

10012 будет соответствовать Iout 9мА. Таким образом, необходимо построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая данный принцип приведена на рис.10.2.

Uоп

R0

R0

R0

R0

2n-1

2n-2

Z 1

2

Z0

Zn-1

Zn-2

I вых

Рис.10.2. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов

Весовые токи формируются с помощью резисторов в полном соответствии с законом Ома. Сопротивления выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного кода равен единице. Выходной ток определяется соотношением

	Uоп	N 1	k		Uоп
Iвых		dk 2				D,	(10.1)
	R				R
	0	k 0			0

где k – разрядность входного кода;

di – принимает значения 0 или 1 в зависимости от состояния i

–разряда входного кода;

D – суммарный вес входного кода.

124

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования предъявляются к резисторам старших разрядов. Т.к. разброс весовых токов не должен превышать доли тока младшего (нулевого разряда), то погрешность сопротивления в i - ом разряде должна удовлетворять ус-

ловию – R 2 k .

R

Из этого условия следует, что относительная погрешность сопротивления весовых резисторов должна снижаться с увеличением разрядности ЦАП. Например, в четвертом разряде 4 разрядного ЦАП она не должна превышать 6%, а в 10-м разряде 10 разрядного – 0,1%. Это требование делает фактически нереализуемым по указанному принципу ЦАП с разрядностью выше 12, особенно для высокоскоростных схем.

Рассмотренная схема обладает рядом недостатков:

-значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых интегральных микросхемах;

-сопротивления резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутых ключей, а это может привести к дополнительным погрешностям преобразования;

-при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это может повлиять на величину выходного напряжения ИОН;

-в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме представленной на рис.10.3. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

	Uвх	Uвх		Uвх
I вх	R 2 R	2n-2	R	2n-1
Uоп	2R	2R	2R	2R
2R
Zn-1	Zn-2	Z1	Z0
				I вых
				I вых'

Рис. 10.3. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного сопротивления

125

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы R-2R (рис.10.4).

R

Uоп

2R 2R

Рис.10.4. Ступень резистивной матрицы постоянного сопротивления

Благодаря малому или близкому к нулю входному сопротивлению приемников токов Iвых и Iвых' при любом положении переключателей Zk нижние выводы резисторов находятся под потенциалом общей шины схемы. Поэтому источник опорного напряжения всегда нагружен на постоянное входное сопротивление Rin R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Выходные токи схемы определяются соотношениями

Uоп

n 1

Uоп

Iвых

dk 2k

D;

(10.2)

n

n

R 2

k 0

R 2

Uоп

n 1

Uоп

Iвых'

d

k 2k

D

,

(10.3)

n

n

R 2

k 0

R 2

а входной ток определяется по выражению

	'	Uоп		Uоп
	Iвх Iвых Iвых				.	(10.4)
		R 2n		R

3. Последовательные ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Очень часто ЦАП входит в составе микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифроаналоговое преобразование (Ц/А - преобразование) может быть осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 10.5).

Наиболее просто организуется Ц/А – преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-

126

импульсного преобразования (например, микроконтроллер AT90S8515 фирмы Atmel). Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования (8, 9 и 10 разрядов для указанной микросхемы) контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, коэффициент заполнения которых

tиТ определяется соотношением

D , 2n

где D – преобразуемый код;

n – разрядность преобразования.

		Фильтр	U
Uоп	U1		Uвых

U1		Uвых
tи	T	2T	t

а) б) Рис.10.5. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

а) структурная схема; б) диаграммы напряжений.

Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения.

В результате получается выходное напряжение преобразователя

Uвых Uвх	D Uвх	.	(10.5)
	2n

4.Интегральное исполнение ЦАП

Вобщем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока, имеющего несколько цифровых входов и один аналоговых вход, а также аналоговый выход (рис.10.6).

На цифровые входы ЦАП подается n – разрядный код N, на аналоговый вход – опорное напряжение Uоп (другое распространенное обо-

значение UREF). Выходным сигналом является напряжение Uвых или ток Iвых.

127

Цифровой				D0	DAC
				D1	Rоc
код N				.
		n		.
				.	U0
				.
					(I0)

Uсс

Опорное

напряжение UREF GND

Вых. напряжение (Вых. ток)

Рис.10.6

Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его в широких пределах и изменять его полярность.

ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим, так как его можно использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение от –17В до +17В.

В случае, когда ЦАП имеет токовый выход, его выходной ток обычно преобразуется в выходное напряжение с помощью внешнего операционного усилителя (ОУ) и встроенного в ЦАП резистора Rос , один из выводов которого выведен на внешний вывод микросхемы

(рис.10.7).

D0 DAC

D1

.

n .. I1

.

I2

Uсс

UREF GND

Uвых

+

DA1

Рис.10.7. Включение ЦАП при работе в режиме с выходом по напряжению.

128

Микросхема ЦАП К572ПА1, которая изучается в данной лабораторной работе, предназначена для преобразования 10 – разрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и (или) опорного напряжения.

В состав ЦАП входят прецизионная поликремниевая резисторная матрица типа R-2R, токовые двухпозиционные ключи, выполненные на КМОП-транзисторах и усилители-инверторы для управления токовыми ключами.

Для работы с выходом по напряжению к ЦАП подключаются внешние источник опорного напряжения и ОУ с цепью отрицательной обратной связи, работающей в режиме суммирования токов.

Микросхема имеет два аналоговых выхода (рис.10.8). Токи ветвей резистивной матрицы поступают через ключевые КМОП-транзисторы на аналоговые выходы 1 и 2 в зависимости от значений кода на входах усилителей-инверторов.

4	D1	DAC			16
5			Rоc
	D2
						аналоговый
	.				1
	.					выход 1
	.				2	аналоговый
	.
13	D10					выход 2
			Uсс		14
15	UREF				3
			GND

Рис.10.8. Условное графическое изображение интегральной схемы ЦАП К572ПА1

При появлении на одном из входов ЦАП напряжения высокого уровня ток соответствующей ветви резистивной матрицы поступает на выход 1, а при подаче напряжения низкого уровня – на выход 2. Значения токов I1 и I2 на выходах 1 и 2 определяются из выражений

	U			10	i
I1		оп		2		ai ,			(10.6)
	R
		экв		i 1
		U		10
I2		оп		2 i		ai .			(10.7)
		R
		экв		i 1
				129

Сопротивление Rос определяет значение коэффициента преобразования и напряжения в конечной точке шкалы. Напряжение на выходе ОУ в зависимости от значения двоичного кода на его входе определяется выражением

Uоп Rос 2 n 1		a1 2 n 2	a2	..... 2 n i ai 2	0 an
Uвых						, (10.8)
		2n	R

где n – число разрядов преобразования; a1– старший разряд;

an – младший разряд.

Максимальное значение выходного напряжения при ai 1 для всех разрядов кода

Uвыхmax Uоп Rос 1 2 n R.

(10.9)

При работе с ЦАП рекомендуется следующая последовательность подачи электрических режимов: потенциал земли, напряжение питания, опорное напряжение, напряжение на цифровые входы. Порядок снятия напряжения – обратный. Если уровни цифровых сигналов не превышают 5,5В, то подача режимов может быть произвольной. Опорное напряжение может подаваться любой полярности и формы.

Преобразователь К572ПА1 допускает работу при напряжении питания в диапазоне от 5 до 17В и изменении опорного напряжения в пределах ±17В. При работе ЦАП с ТТЛ схемами требуются дополнительные резисторы согласования уровней. Непосредственное согласование ЦАП с ТТЛ возможно при питании от источника 5В±10%. Однако электрические параметры преобразователя в этом случае ухудшаются.

Основная схема включения ИС ЦАП К572ПА1 (рис.10.9) позволяет реализовать двухквадрантное умножение и обеспечивает функцию униполярного преобразования двоичного кода в напряжение на выходе внешнего ОУ DА2. Выходное напряжение формируется в пределах от 0 до UREF. Связь между напряжением на выходе 1 кодом и двоичным кодом на цифровых входах ЦАП однозначна:

000	. . . 000	0
000	. . . 001	2 10 10 UREF
	. . .	. . .
100	. . . 000	2 1 UREF
	. . .	. . .
111	. . . 111	(1 2 10) UREF
		130

D0 DAC Rоc

D1

n ... I1

.

	I2	+	Uвых
			+
		DA1
	Uсс		DA2
UREF
	GND

Рис.10.9. Схема включения ЦАП в режиме двухквадрантного умножения

5.Порядок выполнения работы

5.1.Ознакомиться с принципиальной электрической схемой лабораторного стенда (рис.10.10).

Рис.10.10. Принципиальная электрическая схема лабораторного стенда

131

5.2.Ознакомиться с методикой осциллографирования в электронных схемах.

5.3.Подключить к лабораторному стенду напряжение +5В от дополнительного источника питания Б5-8 .

5.4.Подключить к лабораторному стенду напряжение +15В и - 15В от регулируемых источников питания V1 и V2.

5.5.Подать опорное напряжение ±15В на вход UREF

5.6.Включить напряжение питания и осциллограф.

5.7.Исследовать работу микросхемы ЦАП К572ПА1А. При наличии полного цифрового кода на входах ЦАП снимите осциллограммы выходного напряжения ЦАП с элемента DA1.2 (выход Uout1) при раз-

личных знаках опорного напряжения (±15В).

5.8. При UREF 15В и при условии полного цифрового кода на входах ЦАП снимите осциллограммы с элемента DA1.1 (выходе Uout2). Объясните полученные осциллограммы.

5.9. При помощи кнопок SB1, SB2 и SB3 проверить влияние разрядности числа на точность формирования выходного напряжения. Установить к чему приводит потеря на информационных входах ЦАП старших и младших значащих разрядов. Зарисовать полученные осциллограммы.

6. Порядок выполнения работы с программой

Electronics Workbench

6.1.Ознакомьтесь с элементной базой и инструментальными средствами программы Electronics Workbench.

6.2.Изучите методические указания к лабораторной работе.

6.3.Произведите исследование цифро-аналогового преобразователя. Для этого необходимо вызвать библиотеку Mixed IСs. При нажатой левой клавиши мыши перенести преобразователь с выходом по напряжению на рабочее поле.

Вызовите из библиотеки элементов Sources источник постоянного напряжения. Дважды щелкнув по нему левой кнопкой мыши, установите опорное напряжение ±17V. Заземлите источник питания.

Соберите схему для проведения испытаний, подав на входы от 0 до 7 исследуемого ЦАП соответствующие двоичные сигналы с помощью генератора слов.

132

Установив режим работы STEP или CYCLE, проверьте работу схемы, нажатием кнопок STEP или тумблера питания, соответственно.

Подключите выход ЦАП к осциллографу и заполните табл.10.1.

Таблица 10.1.

Шестна-
дцатерич-	1	5	8	10	33	56	75	84	AD	FF
ное число
Двоичное	0000	0000	0000	0001	0011	0101	0111	1000	1010	1111
число	0001	0101	1000	0000	0011	0110	0101	0100	1101	1111
Uвых, В

Рассчитать аналитически выходное напряжение по выражению (10.8) и сравнить с экспериментальными значениями.

Данные экспериментов выведите на лист бумаги с помощью принтера. При вызове команды Print в открывшемся окне появляется список атрибутов схемы и приборов, которые могут быть распечатаны. Выберете нужные Вам, так чтобы рядом появился символ , а затем выполните команду Print.

7. Содержание отчета

7.1.Цель работы.

7.2.Принципиальные схемы лабораторной установки в соответствии со стандартами.

7.3.Таблицы, диаграммы напряжений, комментарии и пояснения

кним.

7.4.Выводы о проделанной работе и полученных результатах.

8.Список литературы

8.1.Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства. - СПб.: БХВ - Петербург, 2004. - 496 с.

8.2.Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - М.: Мир, 2001. - 379с.: ил.

8.3.Федорков Б. Г. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.: ил.

133