Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Цифро-аналоговый преобразователь предназначен для преобразования

входной величины, представленной числовым кодом, в эквивалентную аналоговую величину. В ЦАП в качестве входного сигнала используются цифровые коды, а выходным сигналом является, как правило, напряжение.

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании эталонных значений

напряжений (токов), соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании участвуют только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит "1". В этом случае входное напряжение определяется

следующим образом:

где U₀ — опорное (эталонное) напряжение,

k — коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значение 0 или 1,

n — разрядность входного кода.

Основные характеристики ЦАП подразделяются на статические и

динамические. К статическим параметрам относятся:

— разрядность (n),

— абсолютная разрешающая способность ЦАП - т.е. минимальное значением изменения сигнала на выходе, обусловленное изменением входного кода на единицу (цена младшего разряда), определяется как U₀/2n,

— абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы δ_шк представляет собой отклонение значения выходной напряженности от номинального расчетного, соответствующего конечной точке характеристики преобразованния (измеряется в единицах младшего разряда (EMP) или в процентах (рис. 13.1),

— нелинейность преобразования δL -это отклонение реальной характеристики преобразования от расчетной (линейной). Величина δL измеряется в

единицах младшего разряда или в процентах:

Из динамических характеристик наиболее существенными являются:

— время установления выходного сигнала t_уст, - это интервал времени от подачи входного кода до появления выходного напряжения,

— максимальная частота преобразования f_преобр.

Рис.13.1. Характеристики преобразования ЦАП Реальная(а) и идеальная(б).

При построении ЦАП в качестве эталонов используются токи или напряжения. Принцип построения ЦАП, реализующих метод суммирования

токов, иллюстрируются на рис.13.2.

Рис.13.2. С ЦАП с суммированием токов (а) и ее реализация (б)

Данное устройство (рис. 13.2а) содержит n источников тока, которые подключаются с помощью ключей S к общей нагрузке R_н. На общей нагрузке

Rн будут протекать только токи тех разрядов, в которых значение цифры-

единица. Если нагрузка R_н постоянна, то выходное напряжение U_вых пропорционально входному коду. На практике для получения выходного напряжения, пропорционального входному коду, в качестве нагрузки используется операционный усилитель (ОУ), играющий роль преобразователя тока в напряжение. Действительно в ОУ напряжение между входами равно нулю.

Выходное напряжение в ОУ прямо пропорционально выходному току

ЦАП и не зависит от сопротивления выходной нагрузки.

Недостатком рассмотренной выше схемы ЦАП является широкий диапазон величин сопротивлений в резистивной матрице для формирования разрядных токов. К тому же эти резисторы должны иметь высокую точность изготовления. Поэтому в современных ЦАП используются резистивные матрицы типа R-2R. Эти матрицы включают в себя резисторы двух номиналов R и 2R (рис.13.3).

Рис.13.3. ЦАП с матрицей R-2R

В резистивной матрице происходит последовательное деление тока на

два. В результате выходное максимальное напряжение на выходе ЦАП при N=111...1 равно:

Входное сопротивление резистивной матрицы, а следовательно, и ток J₀ постоянны и не зависят от состояния ключей (кода). При R_ooc=R величина

выходного напряжения U_вых _макс меньше U_оп на величину младшего разряда.

Точность и стабильность параметров ЦАП, в основном, зависят от стабильности источника U_оп и точности изготовления резисторов R в матрице.

ЦАП выпускаются в виде ИС, обычно с внешним источником Uоп и ОУ. На рис 13.4 изображены ИС ЦАП серии К572. Микросхема К572ПА1 представляет собой резистивную матрицу на 10 разрядов и токовые ключи. Входы ОУ подключаются к выходным шинам J1, J2, а выход ОУ к входу Y. Сопротивление обратной связи R_ooc=R находится внутри кристалла, что увеличивает стабильность работы ЦАП. Микросхема К572ПА2 имеет разрядность –12 и содержит два дополнительных двенадцатиразрядных регистров для хранения входной информации. Прием в регистры производится подачей сигнала 1 на входы С1 и С2. Существуют другие серии ИС с повышенным быстродействием, например К1108ПА1, К1118ПА1 и др.