Структура резистивных матриц ЦАП

Лабораторная работа 13

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с принципом работы и испытание интегрального цифро­ана­логового преобразователя.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЁТНЫЕ ФОРМУЛЫ

СТРУКТУРА РЕЗИСТИВНЫХ МАТРИЦ ЦАП

При построении устройств, связывающих цифровое устройство с объектами, использующими информацию в непрерывно изменяющейся форме, требуется пре­образование информации из аналоговой формы в цифровую и из цифро­вой в аналоговую.Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование непрерывно изменяющихся во времени аналоговых значений физической величины (напряжения, тока) в эквивалентные значения числовых кодов, называют аналого-цифро­вым преобразователем (АЦП). Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование входных зна­чений, представленных числовыми кодами, в эквивалентные им значения какой-нибудь физической величины (напряжения, тока и др.), называют цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).

Итак, цифроаналоговый преобразователь предназначен для прямого преобразования входного двоичного кода, например, А_i (а ₂ а ₁ а ₀) в аналоговый эквивалент. Выходная аналоговая величина, обычно напряжение u_вых, иногда нормированное u_вых.н = u_вых / u_вых.max, соответствует кодовой комби­на­ции А_i, поступившей на вход, и воспроизводится для дискретных моментов времени (рис. 35.1, а). Сменяющиеся входные цифровые коды обуславливают сменяющееся ступенчатое напряжение на выходе (L - идеальная передато­чная характеристика ЦАП).

Существует два широко распространенных способа цифроаналого­вого преобразования с использованием:

· резистивной матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями;

· резистивной матрицы с двумя номиналами сопротивлений, которую обычно называют матрицей R –2 R.

ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 35.1, б) состоит: из п переключателей S_i (по одному на каждый разряд), управляемых двоичным кодом А_i; из матрицы двоично-взвешенных резисторов с сопротивлениями 2 ^{п- 1} R; источ­ника опорного напряжения u ₀ и выходного операционного усилителя ОУ, с по­мощью которого суммируются токи, протекающие через резисторы с двоично-взве­шен­ными сопротивлениями, для получения аналогового выходного напряжения u_вых.

Каждый i -й разряд управляет переключателем S_i, который подключается к источнику опорного напряжения u ₀, когда а_i = 1, или к общей шине, когда а_i = 0. Сопротивления резисторов 2 ^{n- 1} R (п – номер разряда входного кода), соединенных с ключами, таковы, что обеспечивают пропорциональность в них тока двоичному весу соответствующего разряда входного кода. Следовательно, ток на входе ОУ и выходное напряжение ЦАП:

Напряжение на выходе ЦАП пропорционально "весу" присутствующего на входах кода, а максимальное значение имеет место, когда все разряды примут значение 1, т. е.

и оно всегда меньше опорного напряжения на шаг квантования u_oR_ос /(2 ⁿR).

Номиналы сопротивлений резисторов в младшем и старшем разрядах отличаются в 2 ^{п -1} раз и должны быть выдержаны с высокой точностью. Например, для 12-разрядного ЦАП использование в старшем разряде резистора с сопротивлением 10 кОм потребует включения в младший разряд пре­образователя резистора с сопротивлением порядка 20 МОм. Широкий набор номиналов резисторов и требования их высокой точности, в особенности при значительном числе разрядов п входного кода, создают трудности при реализации ЦАП посредством интегральной технологии.

Во второй схеме ЦАП с матрицей R-2R используют резисторы с двумя номиналами сопроти­влений, причём резисторы с сопротивлением R включены в каждый разряд (см. рис. 35.2 при п = 3). Однако в этой схеме уве­личиваются значения паразитных ём­­костей.

Принцип функционирования схемы основан на свойстве резистивного делителя R- 2 R сохранять постоянное сопротивление нагрузки для источника опорного напряжения при замыкании ключей. Вследствие этого на выводах резистора R, начиная со старшего п - 1 разряда, опорное напряжение последовательно делится пополам, как и входящий в каждый узел матрицы ток. При этом нап­ря­жение на выходе преобразователя с матрицей R –2 R:

Таким образом, выходное напряжение ЦАП пропорционально сумме напряжений со своими весами, обусловленными переключателями, под­­­ключенными к источнику опорного напряжения u ₀.

Недостатком ЦАП с матрицей R –2 R является сильное влияние на точность преобразования нестабильности сопротивлений переключателей в замкнутом состоянии, что снижает временную и температурную стабильность характеристик ЦАП. Этот недостаток в значительной степени удаётся устранить в схемах код-напряжение, выполненных на базе полупроводниковой технологии с использованием тонкоплёночных резисторов на кристалле и переключателей на КМДП-транзисторах, в которых нелинейность от ±0,8% до ±0,003% от опорного напряжения u_о, время установления тока от 5 мкс до десятых долей микросекунд и менее, часто выходной диапазон напряжения ±5 В. Опорное напряжение в схемах ЦАП может выбираться разной полярности или двуполярным.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЦАП

Основными параметрами ЦАП являются число разрядов п = 8, …, 24 и абсолютная разрешающая способность - среднее значение минимального изменения сигнала на выходе ЦАП, обусловленное увеличением или уменьшением его кода на единицу. Теоретически ЦАП, преобразующий п -разрядные двоичные коды, должен обеспечить 2 ^п различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью 1/(2 ^п – 1). При числе разрядов п = 8 количество независимых квантов (ступеней) выходного напряжения ЦАП равно 2⁸ – 1 = 255, при п = 12, 2¹² – 1 = 4095 и т. д.

Абсолютное значение минимального кванта напряжения определяется как предельным принимаемым числом 2 ^п – 1, так и максимальным выходным напряжением ЦАП, по-другому называемым напряжением шкалы или опорным напряжением u_о. Значение абсолютной разрешающей способности ЦАП, часто обозначаемое ЗМР (значение младшего разряда), при п = 8 и опорном напряжении u_о = 5 В

ЗМР = u_о /(2⁸ – 1) = 5/255» 0,0196 В = 19,6 мВ.

Отличие реального значения разрешающей способности от теоретического обусловлено погрешностями и шумами входящих в ЦАП узлов. Точность ЦАП определяется значением абсолютной погрешности d_а и нелинейностью преобразователя d_н. Абсолютная погрешность d_а характеризуется отклонением максимального значения выходного напряжения u_max от расчётного, соответствующего конечной точке характеристики идеального пре­образователя, и измеряется обычно в единицах ЗМР.

Нелинейность преобразователя d_н характеризует отклонение действительной характеристики от линейной (от прямой линии L, см. рис. 35.1, а), проведенной через центры ступенек или через нуль и точку максимального значения выходного сигнала.

Из динамических параметров наиболее важным является максимальная частота преобразования f_max (десятки и сотни килогерц) – наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

Работа ЦАП часто сопровождается специфическими переходными импульсами в выходном сигнале, возникающими из-за разности времени открывания и закрывания аналоговых переключателей в ЦАП. Особенно значительно выбросы проявляются, когда входной код 01…111 сменяется кодом 10…000, а переключатель старшего разряда ЦАП открывается позже, чем закрываются переключатели младших разрядов. Вследствие определённой идеализации при моделировании библиотечных ЦАП среды МS10 не всегда удаётся определить отмеченные выше параметры.

Библиотечные интегральные схемы ЦАП среды MS10 требуют для своей работы подключения только постоянного эталонного напряжения, заземления и входных сигналов.