Цифро-аналоговые преобразователи

 

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и необходимы для согласования цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. ЦАП можно представить в виде управляемого цифровыми сигналами потенциометра, который формирует аналоговый сигнал в виде части тока или напряжения от их целых величин.

 

Параметры ЦАП

Цифро-аналоговые преобразователи описываются статическими и динамическими параметрами. Для ЦАП, как и для других интегральных микросхем, используются общепринятые параметры: напряжения источников питания, токи потребления, входные и выходные напряжения и токи, тип и допустимые значения нагрузки, а также номинальные и минимальные значения параметров, абсолютные и относительные отклонения, температурные коэффициенты, нестабильность параметров.

Учитывая, что значения входного кода изменяются от минимального до максимального разряда, то каждому значению входного кода соответствует дискретное значение выходной аналоговой величины.

Дискретность изменения выходной аналоговой величины зависит от числа разрядов ЦАП. Работа ЦАП может быть описана математически, представлена в виде таблицы истинности или графика (характеристики преобразования).

Характеристика преобразования представляет собой зависимость значений выходной аналоговой величины от значений входного кода и представлена на рис. 13.1.

В системе координат код – выходная аналоговая величина характеристика преобразования может быть представлена линией, наклоненной к оси абсцисс под некоторым углом, или ступенчатой линией, что указывает на дискретность изменения как значения кода, так и выходной аналоговой величины. Она определяется начальными и конечными точками, которые задаются начальными и конечными значениями входного кода. Интервал значений аналоговой выходной величины от начальной до конечной точки называют диапазоном выходной величины. Амплитуда выходной величины определяется разностью между максимальным и минимальным значением аналоговой величины. Шаг квантования – это значение дискретного изменения выходной аналоговой величины при изменении значения входного кода на единицу (рис. 13.1).

Разрешающая способность преобразования (номинальное значение шага квантования) представляет собой наименьшее изменение выходной аналоговой величины, возникающее при изменении значения входного кода на единицу. Разрешающая способность, как и шаг квантования, выражается в единицах выходной аналоговой величины или в процентах от номинальной амплитуды изменения выходной аналоговой величины.

Точность преобразования характеризует суммарное отклонение выходного аналогового сигнала от своего идеального значения для данной кодовой комбинации. Точность определяется многими составляющими: нелинейностью, дифференциальной нелинейностью, смещением нуля (начальной точки характеристики преобразования).

Нелинейность (интегральная нелинейность) характеризуется максимальным отклонением реальной характеристики преобразования от идеальной.

Дифференциальная нелинейность – это отклонение действительного шага квантования от его среднего значения. Дифференциальная нелинейность характеризуется монотонностью характеристики преобразования. Монотонность – это неизменность знака приращения выходного аналогового сигнала при последовательном изменении значения входного кода. Если реальная характеристика преобразования сдвинута параллельно номинальной, то этот параллельный сдвиг характеристики оценивается напряжением смещения нуля выходной аналоговой величины. Напряжение смещения нуля – это смещение выходного сигнала ЦАП относительно нуля в начальной точке преобразования.

Погрешность коэффициента передачи определяется смещением выходного аналогового сигнала ЦАП относительно опорного напряжения в конечной точке преобразования. Напряжение смещения нуля и погрешность коэффициента передачи в интегральных микросхемах ЦАП устраняются с помощью внешних регулирующих устройств.

Таким образом, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности ЦАП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности. В реальных ЦАП изменения температуры окружающей среды и напряжения источников питания сильно влияют на точность преобразования входного кода. Поэтому только в идеальных ЦАП разрешающая способность совпадает с точностью преобразования.

В реальных радиотехнических устройствах ЦАП работают при непрерывно изменяющихся значениях кодов на входах, а считывание информации с выхода ЦАП обычно производится после окончания всех переходных процессов в нем. В связи с этим ЦАП характеризуется динамическими параметрами, которые определяют производительность обработки информации. Наиболее важными из параметров ЦАП, характеризующих его быстродействие, являются: время установления выходного сигнала, время задержки распространения, время нарастания, скорость нарастания и время переключения. В большинстве случаев эти параметры определяются при скачкообразном изменении входного кода от минимального до максимального или наоборот (рис.13.2).

Время устано-вления выходного сигна- ла – это время с момента изменения кода на входах ЦАП до момента, когда значение выходной аналоговой величины отличается от установившегося с точностью не более половины амплитуды напряжения младшего разряда (0,5 АМР). Отсчет данного параметра ведется от момента достижения входным уровнем 0,5 амплитуды логического уровня до момента, когда кривая выходного сигнала в последний раз пересекают одну из границ зон, ограниченной ±0,5 АМР (рис 13.2). Для одного и того же ЦАП время установления будет различным в зависимости от того, что измеряется – установление тока или напряжения и при какой нагрузке.

Время задержки распространения t_зад – время от достижения входным уровнем 0,5 амплитуды входного сигнала до момента достижения выходной аналоговой величиной половины установившегося значения (рис. 13.2). Часто используется также параметр время задержки, т.е. время с момента достижения 0,5 амплитуды входного сигнала до момента, когда выходная аналоговая величина достигает 0,1 установившегося значения.

Время нарастания t_нар – время, за которое выходная аналоговая величина изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения (рис. 13.2).

Скорость нарастания выходной аналоговой величины – максимальная скорость изменения выходного сигнала (0,9U_вых – 0,1U_вых)/t_нар.

Время переключения – время от момента перехода входного цифрового слова к соседней кодовой комбинации до момента достижения выходной аналоговой величины 0,9 установившегося значения.

Часто при несовпадении во времени моментов переключения отдельных разрядов входного кода на выходе ЦАП появляются импульсные помехи (выбросы). Амплитуда выбросов может быть любой полярности в зависимости от опережения или запаздывания включения старшего разряда относительно выключения младших разрядов.

При эксплуатации ЦАП необходимо выполнение требований, обусловленных особенностями конкретной микросхемы. К этим требованиям относятся: использование допустимых входных сигналов, напряжения источников питания, емкости и сопротивления нагрузки. Кроме того необходимо выполнение очередности включения различных источников питания, разделение цепей подключения источников питания и общей шины в микросхеме, применение фильтров.

 

Устройство ЦАП

 

Цифро-аналоговые преобразователи подразделяются на электрические и механические. В электрических ЦАП выходными сигналами являются ток, напряжение, временной интервал, а в механических – линейное и угловое перемещения, скорость и т.д.

ЦАП нашли широкое применение в следующих устройствах:

– в системах цифровой связи, системах телеизмерений (модемы, кодеки, активные и цифровые фильтры, системы распределения аналоговых сигналов);

– в системах управления технологическими процессами (станки с ЧПУ, прецизионная электротермообработка, электронно-лучевая фотолитография и др.);

– в испытательной и измерительной технике (программируемые источники питания, цифровые измерительные приборы и др.).

Цифровая информация представляется соответствующим кодом. Наиболее распространен двоичный цифровой код. Значения разрядов в таком коде определяются присутствием или отсутствием электрического напряжения или напряжениями высокого или низкого уровней. Цифровой код может быть последовательным, когда уровни напряжения, соответствующие отдельным разрядам кода, поступают в различные моменты времени и могут быть переданы по одной линии. При параллельном кодировании все уровни напряжения, соответствующие разрядам кода, поступают одновременно и передаются по отдельным линиям. Цифровой код представляется в виде последовательности единиц и нулей, например 1101. В данном коде записано 4 цифры, которые называют разрядами. Крайний левый разряд называют старшим разрядом (СР), крайний правый – младшим разрядом (МР). Числовой эквивалент может быть определен, если известна система кодирования или тип кода. В цифро-аналоговых преобразователях наибольшее распространение получили двоичные и двоично-десятичные коды с весами разрядов 8–4–2–1 или 2–4–2–1. Коды бывают прямыми и обратными. Обратные коды получаются инвертированием всех разрядов прямого кода.

Максимальное число разрядов, которые могут быть поданы на вход ЦАП и преобразованы в выходную величину, определяется конкретной интегральной схемой. Число разрядов – это двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций на входе ЦАП. Число разрядов является наиболее общей характеристикой, определяющей номинальные функциональные возможности интегральных микросхем.

По способу формирования выходного напряжения в зависимости от цифрового входного кода все ЦАП можно разделить на три группы: с суммированием токов, с суммированием напряжений, с делением напряжений. При реализации ЦАП в виде БИС наибольшее распространение получила схема с суммированием токов. ЦАП с суммированием и делением напряжений менее технологичны, но до сих пор реализуются в аппаратуре на цифровых и аналоговых микросхемах.

Цифро-аналоговые преобразователи, использующие для формирования выходного напряжения суммирование токов, делятся на два типа: с использованием взвешенных резисторов и многозвенной цепочки резисторов R‑2R.

Принцип действия ЦАП основывается на том, что любое двоичное число Х_n-1, Х_n-2, …, Х₂, X₁, Х₀ можно представить в виде суммы степеней числа 2

. (13.1)

Поэтому для преобразования двоичных чисел в аналоговую величину (напряжение, ток и т.д.) необходимо каждой единице числа поставить в соответствие аналоговую величину со своим весом, соответствующим разряду данной цифры, а затем произвести суммирование этих величин. Схема четырехразрядного цифро-аналогового преобразователя на основе двоично-взвешенных резисторов представлена на рис. 13.3.

Она состоит из матрицы двоично-взвешенных резисторов, переключателей на каждый разряд, которые управляются цифровыми сигналами, входного (опорного) напряжения и суммирующего усилителя, собранного на базе ОУ в инверсном включении. Сопротивления резисторов, соответствующих разрядам входного слова, отличаются в 2 раза при переходе к соседнему биту. На цифровые входы ЦАП подается двоичный N-разрядный сигнал. Каждый i-й цифровой сигнал управляет i-ым переключателем, обеспечивая подключение любого резистора с сопротивлением R2ⁱ либо к общей шине, либо к источнику входного напряжения. Для простоты рассмотрения принимается, что сопротивление переключателей и внутреннее сопротивление источника входного сигнала равно нулю.

Если все переключатели замкнуты на общий провод, то входное напряжение в точке суммирования (точка О) равно нулю, и выходное напряжение также равно нулю, что соответствует строке 1 в табл. 13.1.

Таблица 13.1

Таблица истинности

Аналоговый вход, В	Двоичный код
Входы
D	C	B	A
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0

Предположим, что все переключатели B, C, D закорочены на общую шину, и в их цепях ток равен нулю, а входной код подается через переключатель А младшего разряда, и в этой цепи протекает ток I_a = U_вх/2³R. Таким образом, резистивная схема формирует двоично-взвешенные токи, которые алгебраически суммируются с выходным током, поступающим на вход OУ через цепь ОС. Напряжение на выходе суммирующего усилителя будет пропорционально весовому значению поступающего на ЦАП двоичного кода цифрового сигнала. Если через все переключатели А, В, С, D подается входной сигнал (переключатели находятся в положении 1), то входной ток резисторный матрицы будет максимальным, а также максимальным по абсолютной величине будет и напряжение U_вых.

В качестве опорного напряжения можно использовать любое напряжение, не превышающее напряжения питания операционных усилителей. Увеличение числа двоичных разрядов требует добавления переключателя с резистором R/2, что в свою очередь требует изменения резистора в цепи ОС OУ R_ос» R/4.

В реальных ЦАП переключатели имеют конечное сопротивление, которое включается последовательно с двоично-взвешенными резисторами и влияет на точность преобразования сигнала особенно в старших разрядах ЦAП, имеющих меньшие сопротивления резисторов. В качестве переключателей могут использоваться ключи на биполярных и полевых транзисторах. Рассмотренная схема ЦАП имеет следующие недостатки:

– используются резисторы с широким диапазоном сопротивлений, что затрудняет согласование температурных коэффициентов сопротивлений весовых резисторов независимо от способа их изготовления;

– невысокая точность преобразования сигнала.

Эти недостатки можно преодолеть в преобразователях «лестничного» типа (рис. 13.4), где используется резисторная матрица типа R-2R. Преимущество такой резисторной матрицы в том, что используются резисторы только двух номиналов. Это позволяет исключить требование к абсолютной точности сопротивлений резисторов. Наибольшее влияние в этих преобразователях оказывает относительный разброс сопротивлений. Резисторная матрица является линейной цепью, все вклады от цепи каждого разряда суммируются для определения результирующего выходного напряжения.

Работа схемы основана на том, что любая часть цепочной или ступенчатой R-2R схемы всегда имеет выходное сопротивление, равное R. Так к узлу 1 подключены параллельно два резистора, каждый с сопротивлением 2R, а значит, выходное сопротивление равно R. К узлу 2 параллельно подключены резистор 2R и цепь, состоящая из последовательного соединения резистора R и выходного сопротивление узла 1 (также R). В результате полное сопротивление в узле 2 равно (R+R)||2R=R. Это правило справедливо для всей резистивной схемы. Опорное напряжение, подключенное ключом D (старшего разряда), создает ток равный U_оп/2R.

При подключении опорного напряжения в следующем разряде, когда в остальных разрядах нуль, напряжение в N–1 узле будет равно U_оп/4, а ток на входе OУ будет равен U_вх/4R. В общем случае полный ток на входе OУ будет равен:

, (13.2)

где А – преобразуемое двоичное число с максимальным значением равным А_макс=2^N–1, тогда

. (13.3)

Источниками погрешностей в преобразователе лестничного типа являются не только резистивная матрица, но и сопротивления переключателей в замкнутом состоянии. Для уменьшения этого сопротивления используют матрицу с большими сопротивлениями резисторов R-2R. Однако, из-за увеличения паразитной емкости резисторов 2R возрастает время преобразования ЦАП, и увеличивается влияние токов утечки через переключатели в разомкнутом состоянии. Чтобы преодолеть указанные недостатки, в современных 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 ОУ. B этом случае быстродействие ЦАП преимущественно определяется OУ, а не паразитными емкостями матрицы сопротивлении. При использовании идеального OУ время преобразования ЦАП будет определятся только временем изменения состояния переключателей.

В настоящее время промышленностью выпускается большая номенклатура микросхем ЦАП серий К572ПА, К594ПА, К1108ПА, К1118ПА, и каждая из микросхем имеет частотные особенности применения. Быстродействие схем серии К1108ПА1 составляет порядка 200 нс, хотя самым высоким быстродействием порядка 10 нс обладают ЦАП серии К1118. Они предназначены для работы со схемами ЭСЛ логики.

Неиспользованные разрядные входы ЦАП могут оставаться незадействованными, что соответствует подаче на эти входы напряжения логической единицы. При необходимости подачи на незадействованные входы напряжения логического нуля, эти входы подключаются к источнику питания через резисторы сопротивлением порядка 45 кОм.

Глава 14