3 Цифро - аналоговые преобразователи

Преобразование цифровой информации в аналоговую необ­ходимо, чтобы результаты цифровой обработки сигналов могли быть использованы системой, оперирующей с аналоговыми сигналами. ЦАП можно представить в виде управляемого цифровыми сигналами потенциометра, который формирует аналоговый сигнал в виде части напряжения или тока от некоторых их целых величин. Благодаря ши­рокому внедрению в современную электронную аппаратуру микро­процессоров ЦАП, выпущенные в виде БИС, стали необходимыми элементами при проектировании блоков вычислительной техники, в робототехнике, в системах цифровой связи. В настоящее время ЦАП широко применяются для управления с помощью микро ЭВМ обра­боткой аналоговых сигналов, в измерительных приборах, системах синтеза аналоговых сигналов и т. д.

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.

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

ЦАП на основе двоично-взвешенных резисторов

ЦАП на основе двоично-взвешенных резисторов состоят из матрицы двоично-взвешенных резисторов, N переключателей на каж­дый разряд, управляемых цифровыми сигналами, источника опор­ного напряжения и суммирующего элемента (рисунок ). Функцию суммирующего элемента выполняет ОУ в инвертирующем включении, для которого вся матрица резисторов может быть представлена одним входным резистором. ОУ обеспечивает нулевой потенциал на выходе матрицы резисторов (инвертирующем входе ОУ) независимо от со­стояния переключателей S₀...S_N-1. На цифровые входы ЦАП подается двоичное N-разрядное цифровое слово. Каждый i-й цифровой сигнал управляет переключателем S_i, обеспечивая подключение любого ре­зистора с сопротивлением 2^(N-1-i)∙R либо к общей шине, либо к источнику напряжения U_ОП. Предполагается, что внутреннее сопротивление ис­точника U_ОП и сопротивления переключателей равны нулю.

Рисунок - ЦАП на основе двоично-взвешенных резисторов

Ток, протекающий через резистор 2R при а_i= 1, т. е. при его подключении к источнику напряжения U_ОП равен I_i = U_ОП/2R. Если а_i= 0, то и соответствующий ток I_i = 0, поскольку равно нулю падение напряжения на резисторе 2ⁱ∙R. Таким образом, матрица двоично-взвешенных резисторов формирует двоично-взвешенные токи I_i, до­бавляемые (вычитаемые) к суммарному выходному току I_∑ в зависи­мости от двоичного значения а_i.

Ток и, следовательно, напряжение

будет пропорционально весовому значению поступающего на ЦАП двоичного N -разрядного цифрового слова. Когда все а_i =0, то I_∑ =0 и, следовательно, U_ВЫХ =0. Если же все а_i = 1, то выходной ток резисторной матрицы максимален I_∑max= U_ОП (2^N -1)2^{N-1 ∙}R и, следователь­но, максимально по абсолютной величине и напряжение U_ВЫХ.

В реальных ЦАП переключатели имеют конечное сопротивле­ние, включены последовательно с двоично-взвешенными резисторами и могут существенно влиять на точность работы схемы. Разброс со­противлений переключателей существенно влияет на точность в стар­ших разрядах ЦАП с меньшими сопротивлениями резисторов 2ⁱ∙R. Чтобы уменьшить сопротивления переключателей, увеличивают их размеры для старших разрядов при изготовлении в виде полупровод­никовой БИС. В качестве переключателей могут быть использованы полевые или биполярные транзисторы. Хотя в описанной структуре ЦАП требуется только один резистор на каждый двоичный разряд, однако сопротивления весовых резисторов лежат в широких пределах (например, при R=10 Ом и N=12 потребуется 2^N-1 ∙R =20 кОм). Это об­стоятельство очень затрудняет согласование температурных коэффи­циентов сопротивлений весовых резисторов независимо от способа их изготовления. Указанный недостаток можно преодолеть применени­ем в ЦАП резисторной матрицы типа R-2R (рис. 15.1,б). Использова­ние такой многозвенной однородной резисторной матрицы позволяет исключить требование к абсолютной точности сопротивлений ре­зисторов, а решающее значение начинает оказывать относительный разброс этих сопротивлений.