ЦАП. Общие сведения. Классификация

Назначение ЦАП:

Преобразование между аналоговыми и цифровыми величинами - основная операция в вычислительных и управляющих системах, поскольку физические параметры, такие, как температура, перемещение, напряженность магнитного поля, скорость, звук и т. д., являются аналоговыми, а большинство практических методов обработки, вычисления и визуального представления информации - цифровыми.

Преобразование цифровых величин в пропорциональные аналоговые величины необходимо для того, чтобы результаты цифровых вычислений могли быть использованы и без труда поняты в аналоговой системе.

Кроме того, если все АЦП разделить на медленно- и быстродействующие, то в первой группе будут преобладать АЦП интегрирующего типа, а во второй - АЦП содержащие ЦАП. Последние осуществляют обратное преобразование цифровых сигналов в аналоговые и в составе АЦП служат для формирования аналогового сигнала с которым сравнивается преобразуемый сигнал.

Принцип работы ЦАП:

Существует несколько схем, каждая из которых служит базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса (Рис. 53).Для формирования требуемых уровней аналоговых величин, управляемые цифровыми сигналами a_j, либо подключают к выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов b (Рис. 53, а, в), либо устанавливают соответствующее значение коэффициента деления (Рис. 53, б). Цепь из двух управляемых резисторов в последнем случае представляет собой одну из резистивных схем. Более сложные разновидности таких схем позволяют обойтись одним источником опорного сигнала в ЦАП, выполненных по схемам по Рис. 53, а, в.

Рис. 53 Схемы ЦАП с суммированием токов (а), с делением (б) и с суммированием (в) напряжений

Схемы ЦАП можно классифицировать по различным признакам:

по принципу действия или способу формирования выходного сигнала (с суммированием напряжений, с делением напряжения, с суммированием токов);

по роду выходного сигнала (с токовым выходом, потенциальным выходом, с резистивным выходом);

по полярности выходного сигнала (униполярные, биполярные или, точнее, одно-, двух- и четырехквадрантные);

по характеру опорного сигнала (с постоянным опорным сигналом, с изменяющимся опорным сигналом (умножающие));

по типу элементной базы, используемой для суммирования и деления (резистивные, емкостные, индуктивные, пневматические, на полосковых линиях, оптико-электронные);

по конструктивно-технологическому исполнению (модульные, гибридные, интегральные).

Модульные схемы обладают наибольшей функциональной полнотой и достоинствами гибридной технологии, позволяя достигать самых высоких параметров. Но они постепенно вытесняются более технологичными, а потому более дешевыми преобразователями.

Гибридные схемы позволяют комбинировать оптимальные процессы при изготовлении отдельных узлов, достигать лучшей функциональной полноты и уменьшать результирующий объем. Такие схемы имеют высокие точностные параметры, но они дороги.

Интегральные микросхемы характеризуются согласованностью динамических и температурных параметров элементов, дешевизной, малыми размерами и потребляемой мощностью. Однако недостаточная функциональная полнота таких схем приводит к необходимости использовать набор ИС для построения ЦАП. Этот недостаток устраняется по мере роста степени интеграции.

В настоящее время на базе полупроводниковой интегральной технологии созданы ЦАП с резистивными схемами. Наиболее приспособленными к минитюаризации оказались ЦАП с суммированием токов. Однако в связи с тем, что производство прецизионных резистивных схем в кристалле связано с большими технологическими трудностями, в последнее время наметилась тенденция построения ЦАП без них. Тем не менее в ближайшие годы, по-видимому, ведущее положение будут занимать ЦАП с резистивными схемами.

ЦАП с суммированием токов обычно строятся с использованием взвешенных резисторов или с использованием матрицы R-2R.

Основные параметры ЦАП

При последовательном возрастании входного цифрового сигнала от 0 до N_МАКС через ЕМР выходной сигнал U_ВЫХ образует ступенчатую кривую. Такую кривую называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратурных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1(См. Рис. 54). При этом каждому значению входного кода соответствует определенное значение выходного напряжения. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также ориентацией на координатном поле. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

При описании параметров ЦАП воспользуемся Рис. 54 кроме того, нам потребуется оперировать таким терминами как идеальная характеристика преобразования и оптимальная характеристика преобразования.

Идеальная характеристика преобразования (прямая 1,Рис. 54;) - прямая линия проведенная через точки (0,0) и (), где N - разрядность ЦАП.

Оптимальная характеристика преобразования (прямая 4,Рис. 54) - прямая линия - эмпирически проводится так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности;

Реальная характеристика преобразования (прямая 3, Рис. 54).

Рис. 54 Графическое представление основных параметров ЦАП

Рис. 55 Графическое представление дифференциальной нелинейности (фрагмент предыдущего рисунка в увеличенном масштабе)

Статические параметры:

Разрешающая способность - это приращение выходного напряжения при переходе от одного смежного кода к другому, т.е. отличающихся на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Разрешающую способность для двоичных преобразователей можно рассчитать по формуле:

,

где U_ОП- опорное напряжение преобразователя; Чем больше разрядность преобразователя, тем выше разрешающая способность.

Погрешность нелинейности - определяется как максимальное отклонение реальной характеристики преобразования (кривая 3) от идеальной характеристики во всем диапазоне преобразования; Эта погрешность иногда носит название абсолютной погрешности нелинейности. Когда абсолютное значение погрешности не столь важно, измеряют отклонение относительно оптимальной прямой. Погрешность нелинейности может измеряться как в абсолютных величинах (вольты, милливольты) так и в относительных (в %, при этом берется отношение разницы к максимальному выходному напряжению).

Дифференциальная погрешность нелинейности- это максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от идеальной прямой при переходе от одного значения цифрового кода к смежному коду, причем идеальная прямая переносится в одну из этих точек (кривая 5, см. Рис. 55).

Монотонность характеристики преобразования- возрастание (уменьшение) или постоянство значений выходного напряжения при равномерном возрастание (уменьшение) входного цифрового кода. Если погрешность нелинейности больше h, то характеристика преобразования немонотонна.

Диапазон значений выходного сигнала - разность максимального и минимального значений выходного сигнала. Для ЦАП с резистивным выходом диапазон выходного напряжения, в котором погрешность нелинейности не более 0,5h.

Погрешность смещения нуля- значение выходного напряжения, когда на вход ЦАП подан цифровой код, соответствующий нулю. Является аддитивной составляющей. Определить погрешность смещения нуля (Uсн) позволяет Рис. 54, на котором изображена характеристика преобразования некоторого ЦАП (кривая 3). Погрешность смещения нуля определяется как значение выходного напряжения при входном нулевом цифровом коде.

Погрешность полной шкалы -(U_ПШ) определяется как отклонение реальной характеристики преобразования при скомпенсированной погрешности смещения нуля (кривая 2) от идеальной характеристики (кривая 1) при максимальном входном коде (см. Рис. 54). Может измеряться как в милливольтах так и в % (при этом берется отношение разницы к максимальному выходному напряжению). Является мультипликативной составляющей. Иногда для характеристики погрешности шкалы используют коэффициент передачи (усиления) ЦАП- угол наклона характеристики преобразования.

Погрешность симметрии нуля- разность значений выходного напряжения, когда, например, в прямом коде со знаком знаковый разряд переключается, а код амплитуды соответствует нулю.

Динамические параметры,

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного напряжения при скачкообразном изменении значения цифрового кода на входе ЦАП от некоторого значения N_ВХ1 до некоторого значения N_ВХ2 (См. Рис. 56).

Рис. 56 Переходная характеристика ЦАП для определения его динамических параметров

Время установления- интервал времени от момента времени изменения логического уровня на 50% до момента установления выходного сигнала в заданных пределах точности установления d. Значение времени установления увеличивается с возрастанием разности последовательно преобразуемых значений входного кода. Поэтому оно определяется обычно при максимальном значении разности последовательно преобразуемых сигналов, а также при определенном значении нагрузки ЦАП. На Рис. 56 время установления это участок 4, этот интервал подразделяется на участки 1,2,3.

Время задержки- интервал времени, за который выходное напряжение изменяется на 10% от разности выходных напряжений (участок 1).

Время нарастания- интервал времени, за который выходное напряжение изменяется от 10% от разности выходных напряжений до 90% (участок 2).

Время окончательного установления- интервал времени, за который выходное напряжение переходит от нарастания до установления в заданных пределах d (участок 3).

Время переключения- сумма времен задержки и нарастания (1+2);

Скорость нарастания- скорость изменения выходного напряжения на участке 2. Измеряется как отношение приращения выходного напряжения на участке 2 ко времени, за которое произошло приращение. От скорости нарастания зависит время нарастания.

Динамическая погрешность -отличие значения выходного напряжения от истинного, вызванная тем, что следующее переключение произошло в момент времени, когда еще не закончился процесс установления выходного сигнала.

Шумы, помехи и дрейфы

Шум на выходе ЦАП может появляться по различным причинам, вызываемым физическими процессами, происходящими в полупроводниковых устройствах.

Для оценки качества ЦАП с высокой разрешающей способностью принято использовать понятие максимальной амплитуды шума в определеннойполосе частот. Для оценки ЦАП среднего качества принято использовать понятие среднеквадратического значения шума.

Сквозное прохождение - прохождение части сигнала через разомкнутый ключ или группу ключей за счет паразитной емкости. Его характеризуют амплитудой размаха паразитной составляющей, значение которой достигает максимума при максимальной частоте опорного сигнала умножающего ЦАП, когда все ключи разомкнуты.

Выбросы (их называют также импульсными помехами) - крутые всплески или провалы в выходном сигнале, возникающие во время смены значений входного кода за счет несинхронности размыкания и замыкания аналоговых ключей в разных разрядах ЦАП. Например, если при переходе от значения кода 011...111 к значению 100...000 ключ самого старшего разряда ЦАП откроется позже, чем закроются ключи младших разрядов, то на выходе ЦАП некоторое время будет существовать сигнал, соответствующий значению кода 000...000. Если же этот ключ откроется раньше, то на выходе ЦАП некоторое время будет существовать сигнал, соответствующий значению кода 111...111.

Выбросы характерны для быстродействующих ЦАП, где сведены к минимуму емкости, которые могли бы их сгладить. Радикальным способом подавления выбросов является использование устройств выборки и запоминания. Выбросы оценивают по их амплитуде и длительности основания выброса.

Температурная стабильность ЦАП характеризуется температурными коэффициентами погрешности нелинейности, погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.