19. Одноразрядные ц/а-преобразователи.
Преобразование одноразрядного цифрового потока в аналоговый сигнал значительно проще, чем А/Ц-преобразование. Такую операцию можно осуществить, пропустив одноразрядую последовательность через фильтр низких частот. Однако, если требуется получить высокую точность преобразования, то в качестве сигма-дельта ЦАП используют интегрирующие схемы с переключаемыми конденсаторами. Такие схемы очень просты и не требуют прецизионных элементов, поскольку от них требуется только обеспечить добавление некоторого дискретного заряда Aq к заряду емкости интегратора, когда на входе ЦАП присутствует «высокий» уровень, и вычитание такого же дискретного заряда Aq, когда на входе ЦАП — низкий «уровень».
Один из простейших вариантов подобной схемы показан на рис. 5.14, а временные диаграммы ее работы — на рис. 5.15.
Основным элементом схемы является интегратор, построенный на операционном усилителе ОУ в инвертирующем включении и конденсаторе С2. Конденсатор CI, предназначенный для формирования дискретного заряда Aq, с помощью ключей SI и SI может подключаться либо к источнику опорного напряжения +В, либо к источнику опорного напряжения -В, а с помощью ключа S3 — ко входу интегратора. Величина его емкости должна быть весьма малой, а соотношение между С1 и С2 должно соответствовать требуемой разрешающей способности ЦАП.
Работа схемы, показанной на рис. 5.14, включает в себя два этапа. На первом этапе (первая половина периода тактовой частоты F) замыкается один из ключей S\ или S2 и происходит заряд конденсатора С1 от одного из источников опорного напряжения — либо до величины +5, либо до величины -В. Ключ S3 в это время разомкнут и емкость С1 отключена от входа интегратора. Если информационный сигнал n(t) = 1, то после его суммирования в схеме И1 с тактовой частотой F получится сигнал n(t)+, (контрольная точка КТЗ), который замкнет ключ SI, и конденсатор С1 зарядится от источника опорного напряжения до величины +В. Поскольку величина емкости О невелика, то заряд происходит почти мгновенно. Если информационный сигнал n(i) = 0, то после его суммирования с F в схеме И2 сформируется сигнал n(t)-, (контрольная точка КТ4), который замкнет ключ 52, и конденсатор С1 зарядится от источника опорного напряжения до величины -В.
На втором этапе (вторая половина периода тактовой частоты F) замыкается ключ S3 (ключи SI и S2 в это время разомкнуты). Поскольку неинвертирующий вход ОУ подключен к «земле», то на инвертирующем его входе образуется так называемая «виртуальная земля» и весь заряд конденсатора С1 перейдет на конденсатор С2 интегратора (рис. 5.15 ж). Если принять исходный заряд конденсатора С2 равным нулю, а коэффициент у = 1, то на нем образуется потенциал, равный -В (С1/С2) (рис. 5.15 з).
После этого ключ S3 размыкается и весь цикл начинается заново. На первом его этапе конденсатор С1 вновь зарядится от одного из источников опорного напряжения, а на втором — этот заряд передаст конденсатору С2 интегратора. Если входной сигнал n(t) будет по-прежнему иметь «высокий» уровень, то напряжение на
выходе интегратора будет увеличиваться; если n(t) примет значение логического «нуля», то заряд на емкости С1 будет иметь знак, противоположный знаку заряда на емкости С2, и при замыкании ключа S3 произойдет вычитание элементарного заряда Aq из суммы заряда на конденсаторе С2 интегратора.
Таким образом, на выходе интегратора (выходе ЦАП) образуется ступенчатый аналоговый сигнал, величина ступенек которого очень мала, а частота их следования очень велика. Шум квантования, обусловленный их наличием, также невелик и находится далеко за пределами полосы рабочих частот. Такой шум можно легко подавить даже с помощью очень простого ФНЧ 2-3 порядка. Чаще всего первым звеном такого фильтра является сам интегратор.