2.2. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразования сигналов. Цифро-аналоговые преобразователи

Назначение и виды цифро-аналоговых преобразователей. Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется электронное устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации в аналоговую. Они используются для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанного с управляющим кодом. В большинстве случаев эта функциональная зависимость является линейной. Наиболее часто ЦАП используются для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с системами, работающими с аналоговыми сигналами. Кроме этого, ЦАП используются в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях и в устройствах сравнения цифровых величин с аналоговыми.

Области применения ЦАП достаточно широки. Они применяются в системах передачи данных, в измерительных приборах и испытательных установках, в синтезаторах напряжения и генераторах сложных функций, для формирования изображений на экране дисплеев и др. В связи с этим разработано и выпускается большое количестве интегральных микросхем ЦАП.

По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП следующих видов: со сложением токов, с делением напряжения и со сложением напряжений. В микроэлектронном исполнении применяются только первые два типа.

По виду выходного сигнала ЦАП делят на два вида: с токовым выходом и выходом по напряжению. Для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение обычно используются операционные усилители.

По полярности выходного сигнала ЦАП принято делить на однополярные и двухполярные.

Управляющий код, подаваемый на вход ЦАП, может быть различным: двоичным, двоично-десятичным, Грея, унитарным и др. Кроме того, различными могут быть и уровни логических сигналов на входе ЦАП.

При формировании выходного напряжения ЦАП под действием управляющего кода обычно используются источники опорного напряжения. В зависимости от вида источника опорного напряжения ЦАП делят на две группы: с постоянным опорным напряжением и с изменяющимся опорным напряжением. Кроме этого, ЦАП делят по основным характеристикам: количеству разрядов, быстродействию, точности преобразования, потребляемой мощности.

Основные параметры ЦАП. Все параметры ЦАП можно разделить на две группы: статические и динамические.

К статическим параметрам ЦАП относят: разрешающую способность, погрешность преобразования, диапазон значений выходного сигнала, характеристики управляющего кода, смещение нулевого уровня и некоторые другие.

К динамическим показателям ЦАП принято относить: время установления выходного сигнала, предельную частоту преобразования, динамическую погрешность. Рассмотрим некоторые из этих параметров.

Разрешающая способность ЦАП определяется как величина, обратная максимальному количеству градаций выходного сигнала. Так, например, если разрешающая способность ЦАП составляет 10-5, то это означает, что максимальное число градаций выходного сигнала равно 105. Иногда разрешающую способность ЦАП оценивают выходным напряжением при изменении входного кода на единицу младшего разряда, т. е. шагом квантования. Очевидно, что чем больше разрядность ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность преобразования ЦАП принято делить на дифференциальную и погрешность нелинейности. С ростом кода на входе ЦАП растет и выходное напряжение, однако при увеличении напряжения могут быть отклонения от линейной зависимости. Погрешностью нелинейности называют максимальное отклонение выходного напряжения от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Дифференциальной погрешностью называют максимальное отклонение от линейности для двух смежных значений входного кода.

Напряжение смещения нуля определяется выходным напряжением при входном коде, соответствующем нулевому значению.

Время установления tуст - это интервал времени от подачи входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы, определяемые погрешностью.

Максимальная частота преобразования - наибольшая частота дискретизации, при которой все параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

По совокупности параметров ЦАП принято делить на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления меньше 100нс. К прецизионным относят ЦАП, имеющие погрешность нелинейности менее 0,1%.

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 Е1, Е2 ...Еn (или токов I1, I2...In), либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления К1, К2...Кn.

На рис. 2.2 приведена схема ЦАП с суммированием токов. В этой схеме используются п опорных источников тока I1, I2...In. Входной код b1, b2...bn управляет ключами S1, S2...Sn, 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 Rнт. е.

(2.7)

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

(2.8)

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

Рис. 2.2. Упрощенная схема ЦАП с суммированием токов

Упрощенная схема ЦАП со сложением напряжений приведена на рис. 2.3. В этой схеме используется п опорных источников напряжения Е1, Е2...Еn. Входной код управляет ключами S1, S2...Sn 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.

Рис. 2.3. Упрощенная схема ЦАП с суммированием напряжений

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

(2.9)

Упрощенная схема ЦАП с делением опорного напряжения E0 приведена на рис. 2.4. В этой схеме имеется один источник опорного напряжения и набор калиброванных сопротивлений R1, R2...Rn, с помощью которых напряжение опорного источника может быть разделено до значения, соответствующего входному коду.

Выходное напряжение для схемы, приведенной на рис. 2.4, определяется формулой

(2.10)

где R∑ - результирующее сопротивление устанавливаемое при помощи ключей S1, S2...Sn которые управляются входным кодом.

Рис. 2.4. Упрощенная схема ЦАП с делением напряжений

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