1.4 Важнейшие типы кодированных шкал.

1.4.1 Шкалы источников тока

На рис. 1.10 показана структура, объединяющая выходные токи нескольких элементарных ЦАП, выполненных по рис. 1.9, в общей полезной

нагрузке. Суммарный выходной ток может быть записан в следующем виде:

где I_i – ток i-го источника, а α_i принимает значение «0», если i-й ключ находится в нижнем по схеме положении (направляя ток мимо нагрузки), и «1», если i-й ток идет через ключ в нагрузку.

Сравним это выражение с формулой для нахождения числового значения n-разрядной кодовой комбинации, состоящей из двоичных символов α_i, при условии, что код – взвешенный, т.е. единице i-го разряда присвоен определенный вес m_i (числовое значение в этом пособии всегда будет пониматься как целое число):

Видно, что если подогнать токи в структуре по рис. 1.10 так, чтобы

было выполнено условие I_i = m_iI₁, то получится I_OUT = NI₁. В частности, для натурального числа N, выраженного в двоичной системе счисления (иначе говоря, для натурального двоичного кода), при счете разрядов с единицы,

т.е. перечень весов выглядит так: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и т.д.

В данном случае физическая аддитивность токов обеспечивает подобие

системы токов I_i системе весов двоичных разрядов кода m_i. Выбирая разные

системы весов m_i для подгонки токов, получим шкалы токов для различных

взвешенных кодов, или, иначе говоря, построим цифроаналоговые преобразователи, работающие в этих кодах. В частности, в двоичном ЦАП должно быть I_i = 2^i-1I₁.

Известен вариант структуры ЦАП с источниками одинаковых токов I, в

котором необходимое соотношение весов получается с помощью делителя

токов. В двоичном ЦАП такой делитель строится на резисторах двух номиналов: R и 2R (рис. 1.11), при этом вклад каждого (i + 1)-го тока в выходной сигнал вдвое превышает вклад i-го тока.

Отметим, что ЦАП со встроенными резистивными делителями тока могут работать как преобразователи код → напряжение без внешней нагрузки;

при этом контур, показанный на рис. 1.11 прерывистой линией, размыкается.

На основе цифроаналоговых преобразователей, в том числе выполненных по структурам рисунков 1.10 или 1.11, строятся и АЦП. Ниже на рис. 1.12 показана одна из возможных структур, в которой из преобразуемого напряжения U_X вычитается падение напряжения, создаваемое выходным током I_DAC цифроаналогового преобразователя (ЦАП) на резисторе R, так что между входами компаратора получается напряжение, близкое к нулю. Указанное направление тока I_DAC (противоположное изображенному выше на рис. 1.10 и 1.11) типично для ЦАП со стабилизаторами тока, построенными на n-p-n транзисторах. Автомат уравновешивания, получающий сигнал от компаратора, изменяет по заданному алгоритму управляющий код ЦАП, одновременно являющийся выходным кодом. Предполагается, что в результате выполнения этого алгоритма достигается приближенное равенство U_X ≈ I_DACR и, следовательно, выход N_OUT соответствует преобразуемому напряжению.

Наиболее часто в автомате уравновешивания используется так называемый регистр последовательных приближений, затрачивающий по одному такту на получение каждого двоичного разряда; соответственно всю структуру называют АЦП последовательных приближений. Реже автоматом уравновешивания служит реверсивный счетчик, меняющий направление счета импульсов тактового генератора в зависимости от сигнала компаратора; тогда

говорят о следящем АЦП.