8. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

8.1. Цифро-аналоговые преобразователи (цап)

ЦАП предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Применяются ЦАП в качестве узлов обратной связи аналого-цифровых преобразователей и для формирования выходных аналоговых сигналов цифровых измерительных и вычислительных устройств.

В общем виде уравнение преобразования ЦАП может быть представлено следующим образом:

Uвых = E^. (x₁^2-1 + x₂^2-2 +...+ x_n^2-n ),

где Uвых – напряжение на выходе ЦАП; E - опорное напряжение; Х{x₁, x₂, ..., x_n} – цифровой код, в котором x₁, x₂, ..., x_n принимают значения логических 0 или 1.

На рис. 7.10б даны основная характеристика ЦАП и кривые, поясняющие характер погрешностей. Основная характеристика ЦАП представляет собой ступенчатую линию с постоянным значением ступеньки (шага квантования) q_n = 1 по оси Х и U_q = Uвых_max/N по оси Y, где N – количество ступеней квантования.

Прямая, проходящая из начала координат через вершины ступенек, называется номинальной характеристикой ЦАП (Uвых.н).

Реальная характеристика ЦАП имеет некоторые отличия от идеальной основной характеристики. Так, например, угол наклона линии, соединяющей вершины ступенек реальной характеристики, не является постоянным. Наибольшее отклонение этой линии от прямой, соединяющей крайние точки этой кривой, называется интегральной нелинейностью ЦАП Uл. Разность номинальной и реальной характеристик для максимального кода N называется погрешностью полной шкалы Uп. Максимальная разность (по модулю) между значением кванта основной характеристики и квантом реальной характеристики называется дифференциальной нелинейностью Uк.

Погрешности ЦАП могут быть выражены в процентах, а также в долях кванта. Если дифференциальная нелинейность ЦАП больше одного кванта, то зависимость выходного напряжения от входного кода может стать немонотонной. Погрешность полной шкалы, связанная с неточной установкой коэффициента преобразования ЦАП, может достигать достаточно большого значения (от 10 до 30 квантов). Однако влияние этой погрешности можно уменьшить для конкретных схем подстройкой опорного напряжения.

Базовая схема четырехразрядного ЦАП представлена на рис. 7.10в. Она содержит резистивную матрицу резисторов, сопротивление которых взвешено по двоичному закону (два соседних сопротивления отличаются в 2 раза), набор аналоговых ключей АК1-АК4, цепи управления которых используются для подачи входного кода ЦАП, операционный усилитель в инвертирующем включении и резистор обратной связи R0. ОУ и резистор R0 суммируют входные токи, коммутируемые цифровым кодом, преобразуя их в выходное напряжение. Если значение входного кода равно нулю, то все резисторы матрицы отключены от инвертирующего входа ОУ и подключены к нулевому проводу схемы. Таким образом, суммарный входной ток равен нулю и, следовательно, равно нулю выходное напряжение ЦАП. Если значение входного кода равно единице, то все резисторы матрицы подключены к инвертирующему входу ОУ и суммарный входной ток максимален. При этом выходное напряжение ЦАП также максимально (по модулю): Uвых_max = 15ER0/8R.

Схема соответствующего ЦАП представлена на рис. 8.1а. Входное сопротивление матрицы для источника опорного напряжения постоянно (не зависит от значения кода), поэтому такие ЦАП имеют, по сравнению с базовой схемой, меньшую погрешность линейности. Указанные особенности предопределили преимущественное использование матриц R-2R в многоразрядных интегральных ЦАП.

Основные недостатки базовой схемы построения ЦАП определяются необходимостью применения резисторов с большим диапазоном номиналов, например 1R-1024R для 10-разрядного ЦАП. Рациональным способом уменьшения количества номиналов резисторов является использование лестничной матрицы R-2R.

Справочные данные на отечественные ЦАП можно получить, используя справочную литературу по цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям (см. Библиографический список). В табл. 8.1 приведены справочные данные на некоторые зарубежные ЦАП.

Таблица 8.1

Тип ЦАП Параметр	TQ 6112	DAC 1000	AD 7248	DAC 1230	AD 568	AD 7534	AD 569	PCM 545	DAC 729
Разрядность	8	10	12	12	12	14	16	16	18
Выход (I/U)	U	I	U	I	I	I	U	I	I
RG памяти	8	8 + 2	8 + 4	8 + 4	12	8 + 6	8 + 8	16	18
U0, B	 10	 25	внут.	 25	внут.	 25	 5	внут.	внут.
Время преобр., нс	1	500	5000	1000	35	1500	6000	350	300
Подстройка	-	-	-	-	+	+	-	-	+
Нелин-ть, квантов	2	1	1	0,5	0,2	0,1	0,1	0,2	0,1
Дифференц. нелин-ть, квантов	1	1	1	0,5	0,1	0,1	0,1	0,1	0,05
Uп, В	- 3,5; + 9	+ 5-12	 15	+ 15	 15	+ 15; - 0,3	 12	 15	+ 5; + 15
Iп, мА	3,5 Вт	+ 0,5	 5	+ 1,2	+ 30; - 8	 0,5	 6	 13	18; 30
Произво-дитель	Tri Quint	NS	AD	NS	AD	AD	AD	BB	BB