6.8. Цифроаналоговые преобразователи

Цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) называется устройство, преобразующее входное сообщение из цифровой формы представления в аналоговую.

ЦАП находят широкое применение не только как составная часть АЦП уравновешивающего преобразования, но и в качестве устройств сопряжения контроллеров управляющими и регистрирующими устройствами, в программируемых источниках питания и генераторах функций и др. ЦАП, в которых источник опорного напряжения может изменяться, обычно называют "умножающими", а ЦАП c внутренним неизменным источником – "полным".

Многие технические характеристики ЦАП в основном те же, что и у АЦП. Следует отметить, что у ЦАП проявляется одна из наиболее трудно устранимых погрешностей – дифференциальная нелинейность, связанная с разбросом параметров резисторов в делителе и аналоговых ключах.

Динамические погрешности ЦАП, как и АЦП, обусловлены инерционностью отдельных элементов и узлов, входящих в ЦАП. Однако ЦАП имеют и так называемую коммутационную помеху в виде выходных всплесков при смене входного кода. Такие всплески представляют собой острые пики выходного сигнала, возникающие за счет несинхронности открывания и закрывания аналоговых ключей в разных разрядах делителя ЦАП. Наиболее значительно они проявляются при продолженных переходах, когда кодовая комбинация типа 011...1 сменяется на 100...0. При этом за счет более медленного выключения ключей на выходе ЦАП будет существовать некоторое время сигнал, соответствующий коду 111... 1, который воспринимается как коммутационная помеха. Эта помеха характерна для быстродействующих ЦАП, где сведены к минимуму емкости, которые могли бы ее сгладить. Радикальным способом подавления выбросов является использование вместе с ЦАП устройств выборки – хранения или стробируемых компараторов.

Широко распространенная схема ЦАП на базе матрицы сопротивлений типа R-2R показана на рис. 6.17. С помощью переключателей S₁-S₈ на схеме условно показаны значения отдельных двоичных разрядов входного кода ЦАП. Если. все разряды имеют низкий уровень (0), то выходное напряжение равно нулю. На практике, однако, в этом случае на выходе может быть некоторое напряжение, вызванное напряжением смещения операционного усилителя. Для устранения этого напряжения служит схема автоматической балансировки, условно показанная на рис. 6.17 с помощью потенциометра "баланс". Если старший значащий разряд S₈ равен 1, выходное напряжение примерно равно 1/2E_оп так как коэффициент усиления по напряжению операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, равен отношению сопротивления обратной связи к сопротивлению на входе. Аналогично, если установлен (т.е. равен 1) только 7-й разряд, то выходное напряжение равно 1/4E_оп ,а вклад младшего разряда байта в выходное напряжение равен 2^-8E_оп . Полное выходное напряжение равно сумме вкладов отдельных разрядов:

,

где S_i, - значения разрядов входного байта преобразователя. Для работы рассмотренного ЦАП необходим источник прецизионного напряжения E_оп.

Рис. 6.17. Схема цифро-аналогового преобразователя (ЦАП)