ЦАП (цифроаналоговые преобразователи): применение, принцип действия

ЦАП подразделяются:

· механические (выходной сигнал – перемещение, скорость и т.д.)

· электрические (выходной сигнал – I, U, временной интервал)

ЦАП широко применяются:

· системы цифровой связи, телеизмерений (модемы, активные и цифровые фильтры), системы распределения аналоговых сигналов.

· испытательной и измерительной технике (цифровые измерительные приборы, программируемые источники питания).

Цифровая информация представляется цифровым кодом (как правило, двоичным): напряжение высокого уровня , напряжение низкого уровня .

Цифровой код может быть:

· последовательным (уровни напряжения , передаются по одной линии)

· параллельным (все уровни напряжения передаются одновременно)

1101- цифровой код (четырёхразрядный)

Крайний левый разряд называется старшим разрядом (СР). Крайний правый – младший разряд. Числовой эквивалент может быть определён, если известна система кодирования. В ЦАП распространение получили двоичные и двоично-десятичные коды. Коды бывают прямые и обратные (получаются инвертированием всех разрядов). Число разрядов – это двоичные логарифмы максимального числа кодовых комбинаций на входе ЦАП. Число разрядов – наиболее общая характеристика ИМС.

ЦАП бывают 3 групп: с суммированием токов, с суммированием напряжения, с делением напряжений. Наибольшее распространение получили большие интегральные схемы (БИС) с суммированием токов; эти ЦАП делятся, в свою очередь, на 2 типа:

· с использованием двоично-взвешенных резисторов;

· с использованием цепочки резисторов R-2R.

Принцип действия ЦАП основывается на том, что любое двоичное число можно представить в виде суммы степеней числа 2:

Поэтому для преобразования двоичных чисел в аналоговую величину необходимо каждой единице числа поставит в соответствие аналоговую величину со своим весом, соответствующим разряду данной цифры, а затем произвести суммирование этих величин.

Схема четырёхразрядного ЦАП на основе

Двоично-взвешенных резисторов

Рисунок 2.47Cхема четырёхразрядного ЦАП на основе

Двоично-взвешённых резисторов

Схема состоит из матрицы двоично-взвешенных резисторов, переключателей на каждый разряд, которые управляются цифровыми сигналами, входного (опорного) напряжения и суммирующего усилителя на базе ОУ в инверсном включении.

Сопротивление резисторов отличается в 2 раза при переходе к соседнему биту. На цифровые входы ЦАП подаётся двоичный N – разрядный сигнал. Каждый i-ый цифровой сигнал управляет i-ым переключателем, обеспечивая подключение любого R либо к общей шине, либо к источник входного напряжения. Если все переключатели замкнуты на общий провод, то входное напряжение в точке суммирования (точка 0) равно нулю (строка 1).

Предположим, что переключателиВ, С, D закорочены на (“землю”), и входной код передаётся через переключатель А младшего разряда, и в этой цепи протекает ток . Таким образом, резистивная схема формирует двоично-взвешенные токи, которые алгебраически суммируются с , поступающим на вход операционного усилителя (ОУ). Через цепь обратной связи. будет пропорционально весовому значению поступающего на ЦАП двоичного кода цифрового сигнала.

В качестве можно использовать любое, не превышающее операционного усилителя (ОУ). В качестве переключателей используются ключи на биполярных и полевых транзисторах.

Рассмотренный ЦАП имеет недостатки:

· использование резисторов с широким диапазоном сопротивлений, что затрудняет согласование их температурный коэффициент .

· невысокая точность преобразования.

Эти недостатки можно преодолеть в преобразовании «лестничного» типа, где используются резистивные матрицы типа R-2R.

Схема ЦАП лестничного типа

Рисунок 2.48Cхема ЦАП лестничного типа на резистивной

МатрицеR-2R

Преимущество такой матрицы – используются резисторы только двух номиналов. Это позволяет исключить требование к точности их сопротивлений. Матрица является линейной цепью, все вклады от цепи каждого разряда суммируются для определения результирующего .

Работа схемы основана, что любая часть ступенчатой схемы имеет . Так, к узлу 1 подключены параллельно 2 резистора (по 2R). К узлу 2 параллельно подключены 2 резистора и цепь, состоящая из последовательного соединения резистора R и выходного сопротивления узла 1 (также R). В результате полное сопротивление в узле 2 равно .

Опорное напряжение, подключённое ключом D (старшего разряда ), создаёт ток .

При подключении в следующем разряде, когда в остальных разрядах нуль, напряжение в N-1 узле будут равно , а ток на входе операционного усилителя: .

В общем случае полный ток на входе ОУ:

где – преобразуемое двоичное число с максимальным значением: , тогда:

Источниками погрешностей в данной схеме являются паразитная ёмкость больших сопротивлений резисторов R-2R; влияние токов утечки через переключатели в разомкнутом состоянии. Чтобы преодолеть эти недостатки, в современных больших интегральных схемах (БИС) ЦАП применяют инверсное включение резисторной матрицы. Это обеспечивает постоянное протекание токов через сопротивления матрицы переключатели лишь коммутируют эти токи между общей шиной и входом операционного усилителя (ОУ). В этом случае быстродействие ЦАП преимущественно определяется ОУ, а не паразитными ёмкостями.

В настоящие время выпускается большая номенклатура ЦАП серий К572ПА, К594ПА, К1108ПА (К1108ПА1- быстродействие 200нс), К 118ПА (10нс).

Раздел 2.6.3 Аналого-цифровые преобразователи (Лекция 28, 2 часа)

Учебные вопросы:

1. Назначение АЦП и общепринятые параметры

2. Статические и динамические параметры АЦП

3. Классификация АЦП

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒