8. Цифро-аналоговые преобразователи

8.1. Классификация цап

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа в пропорциональное ему напряжение или ток. На рис. 8.1. Показана передаточная функция идеального 3-х разрядного ЦАП и его условное графическое изображение.

В случае преобразования цифрового кода в напряжение выходное напряжения ЦАП будет равно

,

где α – коэффициент пропорциональности (часто он принимается равным единице), U₀– опорное напряжение,N– разрядность цифрового кода,d_k– значениеk- го разряда (0 или 1). Напряжение, соответствующее младшему разряду кода, называется единица младшего разряда (ЕМР), и определяется по формуле

.

Для треразрядного кода ЕМР = U₀ /8. В случае идеальной передаточной функции ЦАП точность напряжения на выходе будет равна половине ЕМР.

Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис.8.2 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам [12]. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

1. По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения

2. По типу цифрового интерфейса: с последовательным и с параллельным вводом входного кода

3. По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные

4. По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия

8.2. Последовательный цап с широтно-импульсной модуляцией

Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис.8.3. Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых=t_и /Топределяется соотношением

 = D/ 2^N,

где N – разрядность преобразования, а D – преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя

U_вых=U_оп=DU_оп /2^N.

    Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток – низкое быстродействие.

8.3. Последовательный цап на переключаемых конденсаторах

Рассмотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для получения N-разрядного преобразования необходимы 2^Nвременных квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис.8.4, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

Вэтой схеме емкости конденсаторовС₁иС₂равны. Перед началом цикла преобразования конденсаторС₂разряжается ключомS₄. Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разрядаd₀. Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсаторС₁заряжается до опорного напряженияU_опприd₀=1 посредством замыкания ключаS₁или разряжается до нуля приd₀=0 путем замыкания ключаS₂. Во втором полутакте при разомкнутых ключахS₁, S₂иS₄замыкается ключS₃, что вызывает деление заряда пополам междуС₁иС₂. В результате получаем

U₁(0) =U_вых(0) = (d₀ /2)U_оп.

     Пока на конденсаторе С₂сохраняется заряд, процедура заряда конденсатораС₁должна быть повторена для следующего разрядаd₁входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет

.

Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В результате для N-разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно

.

    Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

    Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2Nквантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

8.4. Параллельный ЦАП с суммированием весовых токов

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

На рис.8.5. представлена схема преобразования двоичного числа в пропорциональное ему напряжение. Сопротивления выбираются такими, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. ключ должен быть замкнут тогда, когда в соответствующий разряд поступает логическая единица. Благодаря тому, что операционный усилитель охвачен отрицательной обратной связью, узел суммирования остается под нулевым потенциалом. При этом исключается взаимное влияние составляющих токов при суммировании. Выходное напряжение схемы равно

U_вых = - U_оп(R / R₀)(8z₃ + 4z₂ + 2z₁ + z₀).

Чтобы увеличить число разрядов двоичного числа, следует подключить параллельно соответствующее количество резисторов (1/16)R₀, (1/32)R₀ и т.д. Наиболее жесткие требования предъявляются к точности резисторов старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать ток младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в 2ⁿ – разряде должен быть меньше, чем R/R = (1/2)ⁿ⁺¹. Из этого условия следует, что разброс сопротивления в 2⁴ – разряде не должен превышать 3%, а в 2¹⁰ – разряде – 0,05%.

В схеме используются трехпозиционные ключи. При этом ток, протекающий через каждый резистор, не меняется. Следовательно, нагрузка источника опорного напряжения постоянна. Это снижает требования к стабильности источника опорного напряжения.

По такой схеме построен ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанный фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП).