Цифро-аналоговые преобразователи сигналов

Важным этапом во многих процессах управления является цифро-аналоговое (ЦА, Digital/Analog – DA) преобразование – генерация аналогового сигнала с уровнем напряжения, соответствующим цифровому значению на входе. Эта процедура используется для передачи от компьютера управляющего сигнала исполнительному механизму или опорного значения для регулятора. ЦА-преобразование – также необходимый шаг в выполнении обратного аналого-цифрового (АЦ) преобразования.

Идеальный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП, Digital-analog Converter, D/A converter– DAC) вырабатывает выходной аналоговый сигнал, линейно зависящий от n -битного цифрового входного сигнала. В наиболее распространенных схемах каждый бит входного слова управляет некоторой составляющей выходного напряжения, которое генерируется каскадом сопротивлений (рис. 4.3). Величины резисторов выбираются так, чтобы получать напряжения, равные 1/2, 1/4,..., 1/2 ⁿ опорного значения, которые соответствуют позиции соответствующего бита в слове. Эти значения складываются под управлением входных бит и затем усиливаются. ЦАП можно также сконструировать и для получения токового выхода.

Рис. 4.3. Цифро-аналоговый преобразователь с каскадом сопротивлений.

Положение ключей соответствует либо 0, либо 1 во входном цифровом слове. входное напряжение составляется из последовательно убывающих членов

.

Например, в 8-битном ЦАП байт 01011001 приводит к следующему выходному напряжению (при = – 10 В)

Очевидно, что ЦАП выдает только дискретные выходные напряжения с разрешением .

Необходимо отметить, что если при изменении значения входного слова соответствующие ключи ЦАП не изменяют своего состояния все одновременно, то в переходном режиме может появиться нежелательный всплеск (glitch) напряжения на аналоговом выходе. Для устранения этой проблемы последовательно с ЦАП включают схему выборки и хранения (стабилизатор), которая поддерживает выходное значение постоянным, пока ключи не установятся.

Самые важные характеристики ЦАП, которые нужно учитывать при его выборе или разработке, перечислены ниже.

• Линейность (linearity): в какой степени связь между цифровым входом и выходным напряжением линейна, или, иначе, величина отклонения реального выходного напряжения от расчетного из-за нелинейности.

• Нулевое смещение (offset error): значение выходного сигнала при нулевом значении на цифровом входе. Всегда должна быть возможность подстроить это значение, например с помощью потенциометра или программного управления.

• Время установления (settling time): время, необходимое для установления выходного напряжения на новое постоянное значение.

• Быстродействие (slew rate): максимальная скорость изменения выходного напряжения (выражается в В/мкс). Быстродействие зависит от времени установления.