Глава 13 Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и необходимы для согласования цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. ЦАП можно представить в виде управляемого цифровыми сигналами потенциометра, который формирует аналоговый сигнал в виде части тока или напряжения от их целых величин.

13.1. Параметры цап

Цифро-аналоговые преобразователи описываются статическими и динамическими параметрами. Для ЦАП, как и для других интегральных микросхем, используются общепринятые параметры: напряжения источников питания, токи потребления, входные и выходные напряжения и токи, тип и допустимые значения нагрузки, а также номинальные и минимальные значения параметров, абсолютные и относительные отклонения, температурные коэффициенты, нестабильность параметров.

Учитывая, что значения входного кода изменяются от минимального до максимального разряда, то каждому значению входного кода соответствует дискретное значение выходной аналоговой величины.

Дискретность изменения выходной аналоговой величины зависит от числа разрядов ЦАП. Работа ЦАП может быть описана математически, представлена в виде таблицы истинности или графика (характеристики преобразования).

Характеристика преобразования представляет собой зависимость значений выходной аналоговой величины от значений входного кода и представлена на рис. 13.1.

В системе координат код – выходная аналоговая величина характеристика преобразования может быть представлена линией, наклоненной к оси абсцисс под некоторым углом, или ступенчатой линией, что указывает на дискретность изменения как значения кода, так и выходной аналоговой величины. Она определяется начальными и конечными точками, которые задаются начальными и конечными значениями входного кода. Интервал значений аналоговой выходной величины от начальной до конечной точки называют диапазоном выходной величины. Амплитуда выходной величины определяется разностью между максимальным и минимальным значением аналоговой величины. Шаг квантования – это значение дискретного изменения выходной аналоговой величины при изменении значения входного кода на единицу (рис. 13.1).

Разрешающая способность преобразования (номинальное значение шага квантования) представляет собой наименьшее изменение выходной аналоговой величины, возникающее при изменении значения входного кода на единицу. Разрешающая способность, как и шаг квантования, выражается в единицах выходной аналоговой величины или в процентах от номинальной амплитуды изменения выходной аналоговой величины.

Точность преобразования характеризует суммарное отклонение выходного аналогового сигнала от своего идеального значения для данной кодовой комбинации. Точность определяется многими составляющими: нелинейностью, дифференциальной нелинейностью, смещением нуля (начальной точки характеристики преобразования).

Нелинейность (интегральная нелинейность) характеризуется максимальным отклонением реальной характеристики преобразования от идеальной.

Дифференциальная нелинейность – это отклонение действительного шага квантования от его среднего значения. Дифференциальная нелинейность характеризуется монотонностью характеристики преобразования. Монотонность – это неизменность знака приращения выходного аналогового сигнала при последовательном изменении значения входного кода. Если реальная характеристика преобразования сдвинута параллельно номинальной, то этот параллельный сдвиг характеристики оценивается напряжением смещения нуля выходной аналоговой величины. Напряжение смещения нуля – это смещение выходного сигнала ЦАП относительно нуля в начальной точке преобразования.

Погрешность коэффициента передачи определяется смещением выходного аналогового сигнала ЦАП относительно опорного напряжения в конечной точке преобразования. Напряжение смещения нуля и погрешность коэффициента передачи в интегральных микросхемах ЦАП устраняются с помощью внешних регулирующих устройств.

Таким образом, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности ЦАП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности. В реальных ЦАП изменения температуры окружающей среды и напряжения источников питания сильно влияют на точность преобразования входного кода. Поэтому только в идеальных ЦАП разрешающая способность совпадает с точностью преобразования.

В реальных радиотехнических устройствах ЦАП работают при непрерывно изменяющихся значениях кодов на входах, а считывание информации с выхода ЦАП обычно производится после окончания всех переходных процессов в нем. В связи с этим ЦАП характеризуется динамическими параметрами, которые определяют производительность обработки информации. Наиболее важными из параметров ЦАП, характеризующих его быстродействие, являются: время установления выходного сигнала, время задержки распространения, время нарастания, скорость нарастания и время переключения. В большинстве случаев эти параметры определяются при скачкообразном изменении входного кода от минимального до максимального или наоборот (рис.13.2).

В ремя устано-вления выходного сигна- ла – это время с момента изменения кода на входах ЦАП до момента, когда значение выходной аналоговой величины отличается от установившегося с точностью не более половины амплитуды напряжения младшего разряда (0,5 АМР). Отсчет данного параметра ведется от момента достижения входным уровнем 0,5 амплитуды логического уровня до момента, когда кривая выходного сигнала в последний раз пересекают одну из границ зон, ограниченной 0,5 АМР (рис 13.2). Для одного и того же ЦАП время установления будет различным в зависимости от того, что измеряется – установление тока или напряжения и при какой нагрузке.

Время задержки распространения t_зад – время от достижения входным уровнем 0,5 амплитуды входного сигнала до момента достижения выходной аналоговой величиной половины установившегося значения (рис. 13.2). Часто используется также параметр время задержки, т.е. время с момента достижения 0,5 амплитуды входного сигнала до момента, когда выходная аналоговая величина достигает 0,1 установившегося значения.

Время нарастания t_нар – время, за которое выходная аналоговая величина изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения (рис. 13.2).

Скорость нарастания выходной аналоговой величины – максимальная скорость изменения выходного сигнала (0,9U_вых – 0,1U_вых)/t_нар.

Время переключения – время от момента перехода входного цифрового слова к соседней кодовой комбинации до момента достижения выходной аналоговой величины 0,9 установившегося значения.

Часто при несовпадении во времени моментов переключения отдельных разрядов входного кода на выходе ЦАП появляются импульсные помехи (выбросы). Амплитуда выбросов может быть любой полярности в зависимости от опережения или запаздывания включения старшего разряда относительно выключения младших разрядов.

При эксплуатации ЦАП необходимо выполнение требований, обусловленных особенностями конкретной микросхемы. К этим требованиям относятся: использование допустимых входных сигналов, напряжения источников питания, емкости и сопротивления нагрузки. Кроме того необходимо выполнение очередности включения различных источников питания, разделение цепей подключения источников питания и общей шины в микросхеме, применение фильтров.