Тема 27. Використання мікросхем цап і ацп

27.1. Загальні поняття.

Як вже наголошувалося в першому розділі, цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП, DAC - Digital-to-Analog Converter) і аналого-цифрові перетворювачі (АЦП, ADC - Analog-to-Digital Converter) головним чином застосовуються для сполучення цифрових пристроїв і систем із зовнішніми аналоговими сигналами, з реальним світом. При цьому АЦП перетворить аналогові сигнали у вхідні цифрові сигнали, що поступають на цифрові пристрої для подальшої обробки або зберігання, а ЦАП перетворить вихідні цифрові сигнали цифрових пристроїв в аналогові сигнали. ЦАП і АЦП застосовуються у вимірювальній техніці (цифрові осцилографи, вольтметри, генератори сигналів і т. д.), в побутовій апаратурі (телевізори, музичні центри, автомобільна електроніка і т. д.), в комп'ютерній техніці (ввід і вивід звуку в комп'ютерах, відеомонітори, принтери і т. д.), в медичній техніці, в пристроях радіолокацій, в телефонії і в багатьох інших областях. При цьому вживання ЦАП і АЦП постійно розширяється у міру переходу від аналогових пристроїв до цифрових пристроїв. Як ЦАП і АЦП звичайно застосовуються спеціалізовані мікросхеми, що випускаються багатьма вітчизняними і зарубіжними фірмами. Зразу ж треба відзначити, що для грамотного і професійного використовування мікросхем ЦАП і АЦП зовсім не достатньо знання цифрової схемотехніки. Ці мікросхеми відносяться до аналогово-цифрових, тому вони вимагають також знання аналогової схемотехніки, істотно відмінною від цифрової. Практичне вживання ЦАП і АЦП вимагає розрахунку аналогових ланцюгів, обліку численних погрішностей перетворення (як статичних, так і динамічних), знання характеристик і особливостей аналогових мікросхем (в першу чергу операційних підсилювачів) і багато чого іншого, що далеко виходить за рамки цієї книги. Існує обширна література, спеціально присвячена саме питанням вживання ЦАП і АЦП. Тому в даному розділі ми не говоритимемо про специфіку вибору і принципи включення конкретних мікросхем ЦАП і АЦП, ми розглядатимемо тільки основні особливості методів з'єднання ЦАП і АЦП з цифровими вузлами. Нас в першу чергу цікавитиме організація цифрових вузлів, призначених для з'єднання з ЦАП і АЦП.

 

 

 

 

27.2. Застосування цап

В загальному випадку мікросхему ЦАП можна представити у вигляді блоку (малюнок 27.1), що має декілька цифрових входів і один аналоговий вхід, а також аналоговий вихід.

Малюнок 27.1. Мікросхема ЦАП.

На цифрові входи ЦАП подається n-разрядный код N, на аналоговий вхід - опорна напруга Uon (інше поширене позначення - Uref) - Вихідним сигналом є напруга Uвих (інше позначення - Uo) або струм Івих (інше позначення - Іо). При цьому вихідний струм або вихідна напруга пропорційні вхідному коду і опорній напрузі. Для деяких мікросхем опорна напруга повинна мати строго заданий рівень, для інших допускається міняти його значення в широких межах, у тому числі і змінювати його полярність (позитивну на негативну і навпаки). ЦАП з великим діапазоном зміни опорної напруги називається помножуючим ЦАП, оскільки його можна легко використовувати для множення вхідного коду на будь-яку опорну напругу. Окрім інформаційних сигналів мікросхеми ЦАП вимагають також підключення одного або двох джерел живлення і загального дроту. Звичайно цифрові входи ЦАП забезпечують сумісність із стандартними виходами мікросхем ТТЛ. У разі, коли ЦАП має струмовий вихід, його вихідний струм звичайно перетвориться у вихідну напругу за допомогою зовнішнього операційного підсилювача і вбудованого в ЦАП резистора Roc, один з виводів якого виведений на зовнішній вивід мікросхеми (малюнок 27.2). Тому, якщо не обумовлене інше, ми надалі вважатимемо, що вихідний сигнал ЦАП - напруга Uо.

Малюнок 27.2. Перетворення вихідного струму ЦАП у вихідну напругу.

Суть перетворення вхідного цифрового коду у вихідний аналоговий сигнал досить проста. Вона полягає в підсумовуванні декількох струмів (по числу розрядів вхідного коду), кожний наступний з яких удвічі більший попереднього. Для отримання цих струмів використовуються або транзисторні джерела струму або резистивні матриці, комутовані транзисторними ключами. Як приклад на малюнку 27.3 показана схема реалізації 4-розрядного (п = 4) цифро-аналогового перетворення на основі резистивної матриці R-2R і ключів (в реальності використовуються ключі на основі транзисторів). Правому положенню ключа відповідає одиниця в даному розряді вхідного коду N (розряди D0...D3). Операційний підсилювач може бути як вбудованим (у разі ЦАП з виходом по напрузі), так і зовнішнім (у разі ЦАП з виходом по струму). Першим (найлівіший на схемі) ключем комутується струм величиною Uref/2R, другим ключем - струм Uref/4R, третім ключем - струм Uref/8R, четвертим ключем - струм Uref/16R. Toбто струми, комутовані сусідніми ключами, розрізняються удвічі, як і вага розрядів двійкового коду. Струми, комутовані всіма ключами, підсумовуються і перетворюються у вихідну напругу за допомогою операційного підсилювача з опором Roc = R в ланцюзі негативного зворотного зв'язку. При правому положенні кожного ключа (одиниця у відповідному розряді вхідного коду ЦАП) струм, комутований цим ключем, поступає на підсумовування. При лівому положенні ключа (нуль у відповідному розряді вхідного коду ЦАП) струм, комутований цим ключем, не поступає на підсумовування.

Малюнок 27.3. 4-розрядне цифро-аналогове перетворення.

Сумарний струм Іо від всіх ключів створює на виході операційного підсилювача напругу Uo = ІоRoc = IoR- To є внесок першого ключа (старшого розряду коду) у вихідну напругу складає Uref/2, другого - Uref/4, третього - Uref/8, четвертого - Uref/16. Таким чином, при вхідному коді N = 0000 вихідна напруга схеми буде нульовою, а при вхідному коді N = 1111 воно буде рівне -15Uref/16. В загальному випадку вихідна напруга ЦАП при Roc = R буде пов'язане з вхідним кодом N і опорною напругою Uref простою формулою:

Uвих=- N* Uref*2- п

де п - кількість розрядів вхідного коду. Знак мінус виходить через інверсію сигналу операційним підсилювачем. Цей зв'язок ілюструє також таблиця27.1.

Деякі мікросхеми ЦАП передбачають можливість роботи в біполярному режимі, при якому вихідна напруга змінюється не від нуля до Uref, а від -Uref до +Uref. При цьому вихідний сигнал ЦАП Uвих помножиться на 2 і зсовується на величину Uref. Зв'язок між вхідним кодом N і вихідною напругою Uвux буде наступним:

Uвих=Uref(1-N*21- п )

Цю ситуацію ілюструє таблиця  27.2. Таке біполярне перетворення при нагоді зміни знака опорної напруги називається також чотирьохквадрантним множенням (тобто і опорна напруга, і вихідна напруга можуть бути в даному випадку як позитивними, так і негативними).

Мікросхеми ЦАП, що є на ринку, розрізняються кількістю розрядів (від 8 до 24), величиною затримки перетворення (від одиниць наносекунд до одиниць мікросекунд), допустимою величиною опорної напруги (звичайно - одиниці вольт), величинами погрішностей перетворення і іншими параметрами. Розрізняються вони також технологією виготовлення і особливостями внутрішньої структури, що нерідко накладає обмеження на їх використовування. Тому вибирати мікросхему ЦАП для конкретного вживання необхідно з використанням докладної довідкової інформації, що надається фірмою-виготовлювачем. Ми ж говоритимемо тільки про загальні принципи включення ЦАП в цифрові схеми без урахування їх власних особливостей. Іноді необхідно  зменшити кількість розрядів ЦАП. Для цього треба подати сигнали логічного нуля на потрібне число молодших розрядів ЦАП (але ніяк не старших розрядів). На малюнку 27.4 показано, як з 10-розрядного ЦАП можна зробити 8-розрядний ЦАП, подавши нулі на два молодші розряди. Збільшення кількості розрядів ЦАП є набагато більш складною задачею, що вимагає побудови складних аналогових схем, тому воно зустрічається досить рідко, значно простіше підібрати мікросхему з потрібним або з більшим, ніж потрібно, кількістю розрядів.