10.7. Цифроаналоговые преобразователи
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, представленного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные этому числу. На рис.10.11 представлена общая классификация ЦАП по способам преобразования входного кода и схемам формирования выходного сигнала.
Рис.10.11. Обобщённая классификация ЦАП
Дальнейшую классификацию ЦАП можно провести по ряду специфических признаков, например:
по роду выходного сигнала: преобразователи с токовым выходом или с выходом по напряжению,
по типу цифрового интерфейса : с последовательным вводом или с параллельным вводом,
по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные,
по быстродействию: низкого, среднего и высокого быстродействия,
по разрядности.
Наиболее простую конструкцию имеют параллельные ЦАП с суммированием весовых токов резистивными цепями (рис.10.12).
Рис.10.12. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов
В этой схеме сопротивления резисторов 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
где k – разрядность входного кода, dk принимает значение 0 или 1 в зависимости от состояния k-го разряда входного тока, D – входной код
( точнее, суммарный вес входного кода). При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жёсткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс весовых токов не должен превышать доли тока младшего разряда.
Рассмотренная схема ЦАП с суммированием весовых токов при всей её простоте обладает рядом недостатков:
при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это может повлиять на величину выходного напряжения ИОН,
значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых микросхемах; кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутых ключей, а это ведёт к дополнительным погрешностям преобразования,
в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.
В настоящее время разными фирмами выпускается большое количество ЦАП, основанных на разных принципах, которые тем или иным образом обходят эти недостатки и обеспечивают высокие характеристики по точности и быстродействию.
В схеме устройства ЦАП появляется тогда, когда необходимо обработанный цифровой сигнал преобразовать в аналоговую форму и подать на исполнительное устройство, которым может быть динамик, электродвигатель и т.п. Другим использованием ЦАП является прямой синтез сигналов необходимой формы, который предварительно формируется в цифровом виде, а затем с помощью ЦАП преобразовывается в аналоговый вид. Для примера на рис.10.13 приведена упрощённая схема генератора прямого цифрового синтеза (ПЦС) синусоидального сигнала с широким диапазоном задаваемых частот.
Рис.10.13. Упрощённая схема генератора ПЦС синусоидального сигнала
Схема прямого цифрового синтеза содержит три основных блока: генератор фазового угла, память и ЦАП. Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливающий сумматор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает приращение на некоторый фазовый угол через заданные интервалы времени. Необходимое приращение фазы Δφ в виде цифрового кода загружается последовательно или побайтно во входные регистры. Память играет роль таблицы функций.
Системы прямого цифрового синтеза чрезвычайно гибки. Частота выходного сигнала может быть изменена практически мгновенно без разрыва фазы простым изменением содержимого входных регистров.