Контрольные вопросы

1. Архитектура основных АЦП, используемых при интегральном исполнении. Их краткая характеристика (разрешение – частота дискретизации).

2. Операции дискретизации, квантования, кодирования аналогового сигнала. Теорема Котельникова и ее применение к основным операциям с аналоговым сигналом.

3. Разрядность АЦП, разрешение АЦП. Их связь.

4. Принцип функционирования параллельных АЦП. Модификация параллельных АЦП. Краткая техническая характеристика.

5. АЦП последовательного приближения. Принцип функционирования, краткая техническая характеристика.

6. Сигма-дельта АЦП. Принцип функционирования, краткая техническая характеристика.

7. Интегрирующие АЦП. Принцип функционирования, краткая техническая характеристика.

6.2 Цифро-аналоговые преобразователи (цап)

6.2.1 Введение

В электронных схемах широко используется обработка информации, представленной в цифровой форме (контроллеры, процессоры). Использование полученных после цифровой обработки результатов требует их аналогового представления. Назначение цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) – преобразование входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины (чаще всего это напряжение).

Наиболее широко в интегральном исполнении применяются ЦАП, реализующие метод суммирования нескольких различных эталонов. Значения этих эталонов пропорциональны величинам весовых коэффициентов используемого кода. Входной код подается на вход таких ЦАП в параллельной форме.

Интегральные схемы ЦАП могут выполняться как функционально завершенными, т.е. не требующими для своей работы дополнительных элементов, так и функционально незавершенными. В последнем случае в качестве внешних элементов, как правило, применяют источник эталонного (опорного) напряжения (ИОН), операционный усилитель, резисторы и т.д. (они более функциональные и имеют больший сбыт).

Работа с внешним ИОН позволяет разделить все ЦАП на две группы: умножающие – работающие с изменяющимся во времени внешним источником (U_вых подвергается двойной модуляции – за счет входного кода и ИОН→var) и неумножающие (с ИОН→const).

Следует подчеркнуть, что при любом построении ЦАП преобразованию подвергается опорный аналоговый сигнал, а входной цифровой сигнал является модулирующим. Всякое изменение на единицу младшего разряда вызывает изменение выходного аналогового сигнала на определенную величину, которая называется шагом квантования.

6.2.2 Цап с суммированием токов

Здесь в качестве эталона для суммирования является ток. Величина эталона тока (вес) зависит от позиции разряда входного сигнала h. Упрощенная схема ЦАП показана на рис. 6.15 и является схемой с суммированием токов, которые в этом случае формируются с помощью резистивной матрицы типа R-2R. Особенностью такой матрицы является то, что ее входное сопротивление при любом положении ключей S₁, S₂, …, S_m равно 2R, т.е. общий ток, втекающий в матрицу, равен E₀/2R. Это легко доказывается на рис. 6.16. При любом положении ключей S_i к резистору номинала 2R всегда подключена «земля». Если разряд входного кода A_i=0, то ключ S_i подключит этот резистор непосредственно к «земле» (на схеме рис. 6.15 в правое положение). Если А_i=1, то резистор номинала 2R

Рис. 6.15. ЦАП с цепочкой резисторов R-2R с токовым выходом

подключается к инвертирующему входу суммирующего усилителя, сгенерированным на базе операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью с помощью резистора R_{ос .} В такой схеме усилителя за счет напряжения U_вых и резистора R_ос на инвертирующем входе поддерживается потенциал, равный другому неинвертирующему входу, который подключен к «земле», т.е. на инвертирующем входе присутствует виртуальная «земля».

а) б)

в) г)

Рис. 6.16. Поэтапная (а,б,в,г) модификация матрицы R-2R

С другой стороны это доказывает, что инвертирующий суммирующий усилитель реагирует не на потенциал инверсного входа, а на поступающие на его вход токи.

Если начать последовательно объединять параллельно включенные сопротивления матрица R-2R, то легко доказывается величина входного сопротивления матрица R-2R, (R_вх=2R) и последовательное уменьшение вдвое напряжения в узлах схемы по мере их удаления от источника опорного напряжения и к такому же уменьшению токов, передающих через ключи S_m, S_m-1, …, S₁. На рис. 6.16 приведена такая процедура для трехбитного входного кода. В общем виде выходное напряжение равно:

U_вых= _i2^i-m.

Если R_oc=R, то

U_вых= _i2^i-m.

Из последнего выражения следует, что величина выходного напряжения ЦАП зависит от величины напряжения E₀ опорного источника. Этим обстоятельством пользуются для построения так называемых умножающих ЦАП. Ко входу опорного источника подключают источник изменяющегося напряжения, и преобразователь в этом случае будет выступать в качестве модулятора, который будет формировать выходной сигнал пропорциональный произведению управляющего кода и напряжения, поданного на вход опорного сигнала.

Схемы ЦАП на основе резистивных матриц R-2R практичны, надежны, обладают высокой скоростью преобразования и легко реализуются в интегральном исполнении.