Общие способы реализации

Цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) называются устройства служащие для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине пропорциональный значению кода.

ЦАП широко применяются для связи цифровых управляющих систем с исполнительными устройствами и механизмами, которые управляются уровнем аналогового сигнала, в качестве составных частей более сложных аналого-цифровых устройств и преобразователей.

В практике в основном находят применение ЦАП для преобразования двоичных кодов, поэтому далее речь будет вестись только о таких ЦАП.

Любой ЦАП характеризуется, прежде всего, своей функцией преобразования, которая связывает изменение входной величины (цифрового кода) с изменением выходной величины (напряжения или тока) рис.12.

Рис. Функция преобразования (передаточная характеристика) ЦАП

Аналитически функцию преобразования ЦАП можно выразить следующим образом (для случая, когда выходной сигнал представлен напряжением):

, где

U_ВЫХ – значение выходного напряжения, соответствующее цифровому коду N_ВХ, подаваемому на входы ЦАП.

U_МАХ – максимальное выходное напряжение, соответствующее подаче на входы максимального кода N_МАХ.

Величину К_ЦАП, определяемую отношением , называют коэффициентом цифроаналогового преобразования. Его постоянство для всего диапазона изменения аргументов определяет пропорциональность изменений величины выходного аналогового сигнала соответствующим изменениям величины входного кода. Именно поэтому, несмотря на ступенчатый вид характеристики, связанный с дискретным изменением входной величины (цифрового кода), считается, что ЦАП являются линейными преобразователями.

Если величину N_ВХ представить через значения весов его разрядов функцию преобразования можно выразить следующим образом:

, где

i – номер разряда входного кода N_вх; A_i – значение i -го разряда (ноль или единица); U_i – вес i -го разряда; n – количество разрядов входного кода (число разрядов ЦАП).

Данный способ записи функции преобразования во многом отражает принцип функционирования большинства ЦАП, по существу заключающийся в проведении суммирования долей аналоговой выходной величины, каждая из которых пропорциональна весу соответствующего разряда.

В целом, по способу построения выделяют ЦАП со взвешенным суммированием токов, со взвешенным суммированием напряжений и на основе кодоуправляемого делителя напряжения.

При построении ЦАП на основе взвешенного суммирования токов в соответствии со значениями разрядов входного кода N_ВХ суммируются сигналы генераторов токов и выходной сигнал представлен током. Построение четырехразрядного ЦАП, с использованием этого принципа, иллюстрируется на рис. Значения токов генераторов выбираются пропорциональными весам разрядов двоичного кода, т. е. если значение тока наименьшего по величине генератора тока, соответствующего младшему разряду входного кода, равно I, то значение каждого следующего должно быть больше предыдущего в два раза – 2I, 4I, 8I. Каждый i -й разряд входного кода N_ВХ управляет i -м ключом S_i. Если i -й разряд равен единице, то соответствующий ключ замыкается и тогда ток генератора, у которого величина тока пропорциональна весу этого i -го разряда, участвует в формировании выходного тока преобразователя. Таким образом, получается, что величина выходного тока I_ВЫХ ЦАП пропорциональна величине входного кода N_ВХ.

Рис. Построение ЦАП на основе взвешенного суммирования токов

Например, если значение входного кода N_ВХ равно одиннадцати, т. е. в двоичной форме он представляется как (1011), то управляемые соответствующими разрядами ключи S₁, S₂ и S₄ в схеме на рис. будут замкнуты, а ключ S₃ – разомкнут. Таким образом, в выходном узле будут суммироваться токи равные I, 2I и 8I. В сумме они сформируют выходной ток I_ВЫХ = 11I, т. е. величина выходного тока I_ВЫХ будет пропорциональна значению входного кода N_ВХ = 11.

При построении ЦАП на основе взвешенного суммирования напряжений в соответствии со значениями разрядов входного кода N_ВХ выходной сигнал ЦАП формируется из значений генераторов напряжения и представляется напряжением. Построение четырехразрядного ЦАП, с использованием этого принципа, иллюстрируется на рис. Значения генераторов напряжений задаются в соответствии с двоичным законом распределения – пропорционально весам разрядов двоичного кода (Е, 2Е, 4Е и 8Е). Если i -й разряд входного кода N_ВХ равен единице, то соответствующий ему ключ должен быть разомкнут, при этом генератор напряжения, у которого величина напряжения пропорциональна весу этого i -го разряда, участвует в формировании выходного напряжения U_ВЫХ преобразователя. Таким образом, получается, что величина выходного напряжения U_ВЫХ ЦАП пропорциональна величине входного кода N_ВХ.

Рис. Построение ЦАП на основе взвешенного суммирования напряжений

Например, если значение входного кода N_ВХ равно одиннадцати, т. е. в двоичной форме он представляется как (1011), то управляемые соответствующими разрядами ключи S₁, S₂ и S₄ в схеме на рис. будут разомкнуты, а ключ S₃ – замкнут. Таким образом, в выходной цепи будут суммироваться напряжения равные Е, 2Е и 8Е. В сумме они сформируют выходное напряжение U_ВЫХ = 11I, т. е. величина выходного напряжения U_ВЫХ будет пропорциональна значению входного кода N_ВХ = 11.,

В последнем случае ЦАП реализуется как управляемый кодом делитель напряжения.

Рис.

Два последних способа не нашли широкого распространения в связи с практическими трудностями их реализации. Для структуры ЦАП со взвешенным суммированием напряжений невозможно реализовать генераторы напряжений, которые бы допускали режим короткого замыкания на выходе, а также ключи, не имеющие остаточных напряжений в замкнутом состоянии. В структуре ЦАП на основе кодоуправляемого делителя каждое из двух плеч делителя состоит из очень большого числа резисторов (2ⁿ), включает в себя такое же число ключей для управления ими. Поэтому при таком подходе реализация ЦАП получается очень громоздкой. Таким образом, основной структурой, применяемой на практике, является структура ЦАП со взвешенным суммированием токов.