4.2 Цифро – аналогові перетворювачі.

4.2.1.Загальна характеристика цап.

Цифро – аналогові перетворювачі (ЦАП) призначені для перетворення цифрової інформації в аналогову форму у вигляді напруги (іноді електричного струму). ЦАП використовують у системах керування технологічними процесами, в аналогових мікропроцесорах, графопобудовниках, робототехніці.

Число у двійковій позиційній системі записується наступним чином:

Х = Хn + Хn-1 +… + Х2 + Х1 + Х-1 + Х-2 +…+ Х-m

де Хi – цифри в позиціях 0 або 1, а - вага позиції.

Сутність цифро – аналогового перетворення полягає в наступному:

• для кожної ваги позиції визначають величину еталонного струму Іi , при цьому значення величин вагових еталонів струмів Іi повинно зменшуватись у два рази при переході від старшого розряду до сусіднього молодшого розряду (це пояснюється тим, що сама вага позиції при переході від старшого розряду до сусіднього молодшого розряду зменшується вдвічі. Наприклад 2 = 8, а 2 = 4 і т.д.);

• значення загального струму Іх , який пропорційний значенню числа Х, визначається сумою величин еталонних струмів Іi , які створюються для кожного розряду числа

Іх = Хn Іn + Хn-1 Іn-1 +… + Х2 І2 + Х1 І1 + Х-1 І-1 + Х-2 І-2 +… + Х-m І-m ,

при цьому підсумовуються струми тільки тих розрядів для яких Хі = 1;

- загальний струм Іх , пропорційний числу Х, перетворюється у вихідну

напругу операційними підсилювачами.

Таким чином, для роботи ЦАП необхідні високоточні джерела еталонних вагових струмів і перетворювачі струму у напругу.

4.2.2.Основні схеми цап.

Структура ЦАП вміщує: резистивну або транзисторну матрицю для формування еталонних струмів; електронні ключі для комутації еталонних струмів згідно з вхідним кодом до спільної точки підсумовування; операційний підсилювач (ОП) для перетворення струму Іх у вихідну напругу; допоміжні схеми для узгодження з вихідними рівнями сигналів; стабілізоване джерело живлення опорної напруги UОП.

Резистивні матриці будують або з набору двійково – зважених за номіналами резисторів, або у вигляді сходового (багатоланкового) ланцюжка резисторів лише двох номіналів R – 2R. Схема ЦАП з резистивною матрицею на основі двійково – зважених опорів виду R - 2R - … - 2 R показана на Мал. 4.74. У цій схемі опір резисторів матриці подвоюється при переході від старшого розряду до молодшого, а еталонні струми зменшуються у два рази. Наприклад, якщо для першого, найстаршого розряду взяти значення струму І1 = 1мА, то для другого розряду І2 = 0,5мА, для третього І3 = 0,25мА і т.д. Ключі К1 – Кn керуються рівнями напруги, які відображають цифри “0” і ”1” відповідних розрядів коду Х1… Хn. Сумарний струм, що визначає двійкове число ІХ протікає на вхід операційного підсилювача ОП і перетворюється у вихідну напругу UВИХ. Джерело опорної напруги UОП найчастіше буває зовнішнім, але в деяких випадках його вбудовують у мікросхему ЦАП. На вході ОП завжди є практично нульовий потенціал, тому додавання розрядних струмів визначається співвідношенням:

ІХ = Х1 + Х2 + Х3 + … + Хn =

= (Х1 + 2 Х2 + 2 Х3 + 2 Хn ) = .

Напругу на виході ЦАП розраховують за формулою:

UВИХ = - ІХ RОЗ = - UОП , де RОЗ = R / 2 – опір ланцюгу оберненого зв’язку підсилювача.

Приклад. Розрахувати напругу на виході ЦАП при перетворенні вхідного шестирозрядного цифрового коду Х = 101011. Опорна напруга UОП = 10В. На основі попереднього виразу маємо:

UВИХ = -10(1×2 + 0×2 + 1×2 + 0×2 + 1×2 + 1×2 ) =

= -10(2 + 2 + 2 + 2 ) = - 6, 72В.

Основний недолік розглянутої структури ЦАП – це великий діапазон опорів резисторів матриці, особливо при великій розрядності вхідного коду. Цього недоліку позбавлена схема ЦАП на основі сходової матриці R – 2R, яка показана на Мал. 4.75. У цій схемі використовуються резистори тільки двох номіналів R та 2R. І на їх основі реалізується принцип зменшення еталонного вагового струму Іi в два рази при переході від старшого розряда до сусіднього молодшого розряда. Принцип роботи схеми на основі сходової матриці R – 2R аналогічний попередній схемі.

До стабільності еталонних вагових струмів пред’являються дуже великі вимоги, оскільки від їх стабільності залежить точність перетворення інформації в ЦАП. Одним з основних зовнішніх впливів на еталонний струм є температура навколишнього середовища.

З метою термостабілізації еталонних струмів Іi у схеми ЦАП часто вбудовують генератори струмів (ГС). Один з варіантів ГС з оберненим зв’язком показаний на Мал. 4.76. У цій схемі транзистори VT1- VT4 стабілізують струми резистивної матриці R -2R -4R -8R. Допоміжний транзистор VT0 разом з операційним підсилювачем ОП та джерелом опорної (стабілізованої напруги) UОП утворюють схему керування генератором струмів, яка стабілізує еталонні струми транзисторів VT1- VT4. Всі транзистори VT0,VT1, VT2, VT3 та VT4 змонтовані разом на одній платі і знаходяться в однакових температурних умовах. Тому відхилення еталонних струмів від розрахункових (заданих) значень контролюється за струмом колектора ІК транзистора VT0. Якщо через колектор транзистора VT0 протікає заданий струм ІК, то сигнал корекції з виходу операційного підсилювача ОП не буде поступати на бази транзисторів VT1- VT4 (баланс операційного підсилювача) і режими роботи транзисторів не зміняться. При відхиленні ІК від заданого значення з операційного підсилювача ОП поступить сигнал корекції (певної полярності) на бази транзисторів VT1- VT4 і транзистори скорегують значення еталонних струмів. Таким чином, незалежно від впливу температури навколишнього середовища, величини еталонних струмів будуть стабільними і будуть дорівнювати заданому значенню.