Лабораторна робота № 7

Тема роботи: Цифро-аналоговий перетворювач

Мета роботи: ознайомлення з принципом роботи і випробування інтегрально цифрового перетворювача.

Теоретичні відомості і розрахункові формули

1. Структура резистивних матриць цап

При побудові пристроїв, повʼязуючих цифровий пристрій з об’єктами, застосовуючими інформацію в неперервно мінливій формі, вимагається перетворення інформації із аналогової форми в цифрову і із цифрової в аналогову. Пристрій, здійснюючий автоматичне перетворення неперервно змінюючихся в часі аналогових значень фізичної величини (напруги, струму) в еквівалентні значення числових кодів, називають аналого-цифровим перетворювачем (АЦП). Пристрій, здійснюючий автоматичне перетворення вхідних значень, представлених числовими кодами, в еквівалентні їм значення якої-небудь фізичної величини (напруги, струму і т. д.), називають цифро-аналоговими (ЦАП).

Отже, цифроаналоговий перетворювач призначений для прямого перетворення вхідного двійкового коду, наприклад, А_і(а₂а₁а₀) в аналоговий еквівалент. Вихідна аналогова величина, звичайно напруга u_вих, інколи нормоване u_вих.н = u_вих/u_вих.max, відповідає кодовій комбінації А_і, надійшовший на вхід, і відтворюється для дискретних моментів часу (рис. 15.1, а). Мінливі вхідні цифрові коди обумовлюють мінливі ступінчаті напруги на виході (L – ідеальна передавальна характеристика ЦАП).

Існує два широко розповсюджених способи цифро-аналогового перетворення з використанням:

• Резистивної матриці з ваговим двійково-зваженими опорами;

• Резистивної матриці з двома номіналами опорів, які звичайно називають матрицею R-2R.

ЦАП з ваговими двійково-зваженими опорами (рис. 15.1, б) складається: з n перемикачів S_i (по одному на кожний розряд), керованих двійковим кодом А_і; із матриці двійково-зважених резисторів з опорами 2^n-1R; джерела опорної напруги u₀ і вихідного операційного підсилювача ОП, за допомогою якого додаються струми, протікаючі через резистори з двійково-зваженими опорами, для отримання аналогової вихідної напруги u_вих.

Кожний і-й розряд керує перемикачем S_i, який підключається до джерела опорної напруги u₀, коли а_і = 1, або до загальної шини, коли а_і = 0. Опори резисторів 2^n-1R (n – номер розряду вхідного коду), з’єднаних з ключами, такі, що забезпечують пропорціональність в них струму двійковій вазі відповідного розряду вхідного коду. Відповідно, струм на вході ОП і вихідна напруга ЦАП.

Напруга на виході ЦАП пропорціональна «вазі» присутнього на входах коду, а максимальне значення має місце, коли всі розряди приймуть значення 1, тобто

і вона завжди менше опорної напруги на крок квантування u₀R_зз/(2ⁿR).

В другій схемі ЦАП з матрицею R-2R використовують резистори з двома номіналами опорів, причому резистори з опорами R ввімкнені в кожний розряд (див. рис. 15.2 при n = 3). Однак в цій схемі збільшуються значення паразитних ємностей.

Принцип функціонування схеми оснований на властивості резистивного розділювача R-2R зберігати постійний опір навантаження при замиканні ключів. Внаслідок цього на виходах резистора R, починаючи зі старшого n – 1 розряду, опорна напруга послідовно ділиться навпіл, як і вхідний в кожний вузол матриці струм.

При цьому напруга на виході перетворювача з матрицею R-2R:

Таким чином, вихідна напруга ЦАП пропорційно сумі напруг зі своїми вагами, обумовленими перемикачами, підключеними до джерела опорної напруги u0.

Недоліком ЦАП з матрицею R-2R являється сильний вплив на точність перетворення нестабільності перетворень опорів перемикачів в замкнутому стані, що зменшує часову і температурну стабільність характеристик ЦАП. Цей недолік в значній степені вдається усунути в схемах код-напруга, виконаних на базі напівпровідникової технології з використанням тонкоплівкових резисторів на кристалі і перемикачів на КМДП-транзисторах, в яких нелінійність від ±0,8% до ±0,003% від опорної напруги u0, час усталення струму від 5 мкс до десятих частин мікросекунд і менше, часто вихідний діапазон напруги ±5 В. Опорна напруга в схемах ЦАП може вибиратися різної полярності або двуполярними.