1.3. Принципы построения цап

Существует несколько схем, являющихся базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса. Для фор­мирования соответствующих уровней выходного напряжения (или тока) к выходу ЦАП подключается необходимое количество опорных сигналов E₁,E₂, ..., Е_n (или токов I₁,I₂, ..., I_n), либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления K₁,K₂, ..., K_n.

На рис. 1.1 приведена схема ЦАП с суммированием токов. В этой схеме используются п опорных источников тока I₁, I₂, ..., I_n. Входной код b₁, b₂, ..., b_n управляет ключами S₁, S₂, ..., S_n, которые или подключают источники тока к нагруз­ке, или замыкают их накоротко. При этом если bi = 0, то соответствующий источник закорочен и в работе схемы не участвует. Если же bi = 1, то соответствующий источник тока подключен к нагрузке. Результирующий ток равен сумме токов опорных источников, для которых bi = 1. Напряжение на выходе будет равно ре­зультирующему току I_ умноженному на сопротивление Rн, т. е.

U_вых = I_  Rн. (1.1)

Так, например, если входной код является двоичным, то результирующий ток определяется выражением:

I_ = I₀∙(b₁  2^n-1 + b₂  2^n-2 +...+ b_n  2⁰) = I₀ N, (1.2)

где п - число двоичных разрядов входного кода, N - n-разрядное цифровое слово.

Рис. 1.1. Упрощенная схема ЦАП с суммированием токов

Упрощенная схема ЦАП со сложением напряжений приведена на рис. 1.2. В этой схеме ис­пользуется п опорных источников напряжения E₁, E₂, ..., E_n. Входной код управляет ключами S₁, S₂, ..., S_n, которые или под­ключают соответствующие источники опорного напряжения к нагрузке, или отключают их. Так же, как и для схемы с суммированием токов, при bi = 1 соответствующий источник напряжения включен, а при bi = 0 - выключен. Результирующее напряжение на выходе равно сумме напряжений включенных опорных источников.

Так, например, для входного двоичного кода выходное напряжение определя­ется по формуле

U_ = U₀ (b₁  2^n-1 + b₂  2^n-2 +...+ b_n  2⁰) = U₀ N. (1.3)

Рис. 1.2. Упрощенная схема ЦАП с суммированием напряжений

Упрощенная схема ЦАП с делением опорного напряжения Е₀ приведена на рис.1.3. В этой схеме имеется один источник опорного напряжения и набор калиброванных сопротивлений R₁, R₂, ..., R_n, с помощью которых напряжение опорного источника может быть разделено до значения, соответствующего входному коду.

Выходное напряжение для схемы, приведенной на рис.1.3, определяется формулой

(1.4)

где R_ - результирующее сопротивление, устанавливаемое при помощи ключей S₁, S₂, ..., S_n, которые управляются входным кодом.

Рис. 1.3. Упрощенная схема ЦАП с делением напряжения

При Rн = 0 эта схема превращается в управляемый источник тока, т. е. рабо­тает так же, как схема со сложением то­ков. Практически выполнить условие Rн = 0 мож­но при помощи операционного усилите­ля с отрицательной обратной связью.

Практическая схема ЦАП со сложе­нием токов обычно выполняется на раз­личных резистивных матрацах и одном источнике опорного напряжения. На рис. 1.4 приведена схема ЦАП с сумми­рованием токов, в котором использован один источник опорного напряжения Е₀, и резистивная матрица типа R - 2R, изображенная на рис. 1.4 б. Особенность этой резистивной матрицы заключается в том, что при любом положении ключей S₁, S₂, ..., S_n входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следовательно, ток, втекающий в матрицу, равен I₀ =Ео/R. Далее он последовательно делится в узлах А, В, С по двоичному закону. Двоичный закон распределения токов в ветвях резистивной матрицы соблюдается при условии равенства нулю сопротивления нагрузки. Так как нагрузкой резистивной матрицы является операционный усили­тель ОУ, охваченный отрицательной обратной связью через сопротивление R_ос, то его входное сопротивление равно нулю с достаточно высокой точностью.

Рис. 1.4. Схема ЦАП со сложением токов на резистивной матрице

типа R—2R (а) и структура резистивной матрицы (б)