Схемные решения цап

ЦАП можно представить в виде потенциометра, управляемого цифровым кодом, который формирует аналоговый сигнал в виде части напряжения или тока (от некоторых целых величин).

По способу формирования выходного сигнала в соответствии с входным кодом все ЦАП можно разделить на три группы:

1. с суммированием напряжений

2. с суммированием токов

3. с делением напряжений.

ЦАП с суммированием токов оказались наиболее технологичными при производстве их в интегральном исполнении и получили наибольшее распространение. Есть две разновидности ЦАП с суммированием токов, которые отличаются конструкцией резистивной матрицы:

1. с матрицей двоично-взвешенных резисторов

2. с матрицей R-2R.

Рис.3. ЦАП с матрицей двоично-взвешенных резисторов

ЦАП, содержащий только резистивную матрицу и токовые ключи, называется перемножающим.

Рассмотрим схему включения ЦАП с матрицей двоично-взвешенных резисторов (рис.3).Операционный усилитель выполняет роль суммирующего элемента, включен по схеме инвертируюшего усилителя (преобразователь ток – напряжение). Инвертирующий вход является виртуальной землей, входным сигналом является ток, величина которого зависит от управляещего n-разрядного слова, замыкающего ключи на источник опорного напряжения. Предполагается, что выходное сопротивление источника опорного напряжения равно нулю и сопротивление замкнутого ключа равно нулю. Так как каждый резистор вдвое больше предыдущего, ток вдвое меньше, и такая матрица формирует двоично-взвешенные токи.

В реальных ЦАП сопротивление замкнутого ключа не равно нулю и падение напряжения на ключе зависит от величина протекающего через него тока. Чтобы выравнить падение напряжения на ключах, ключи старших разрядов должны иметь меньшее сопротивление. При изготовлении их делают большей площади, а на схемах обозначают как многоэмиттерные. Параметры ключа определяются технологией изготовления, а резистивные матрицы таких ЦАП требуют лазерной подгонки номиналов резисторов.

В торой вариант матрицы не требует абсолютной точности номиналов резисторов, а следовательно, и лазерной подгонки. В таких матрицах важен только относительный разброс этих сопротивлений(рис.4).

Рис.4. Схема ЦАП с матрицей R-2R

При включении старшего разряда а0 напряжение на выходе Uвых=-Uоп/2. В каждом следующем узле ток в два раза меньше и выходное напряжение будет Uвых=-Uоп/4, Uвых=-Uоп/8, и.т.д.

В рассмотренных ЦАП получают однополярное выходное напряжение, обратное по знаку Uоп. В тех случаях, когда необходим двухполярный выходной сигнал применяют смещение выходного сигнала с помощью резистора Rсм и дополнительного источника опорного напряжения Uопд (на рис.3 показаны штрихами). В этом случае старший разряд ЦАП становится знаковым.

Микросхема к594па1

В лабораторной работе изучается ЦАЦ, построенный на микросхеме К594ПА1. Она представляет собой параллельный ЦАП с суммированием токов, комбинированной матрицей (двоично-взвешенных и R-2R резисторов), предназначена для преобразования двоичного 12-разрядного кода в ток и работает со стандартными уровнями сигналов от ТТЛ и КМОП цифровых интегральных схем. Конструктивно ЦАП выполнен на двух кристаллах, изготовлен по биполярной планарно-эпитаксиальной технологии с п-р-п и р-п-р транзисторами.

Функциональная электрическая схема преобразователя (рис.5) включает ОУ для временной и температурной стабилизации, токовые ключи, схемы управления токовыми ключами, генераторы разрядных токов, прецизионную резисторную матрицу (РМ). Все элементы схемы на рис. 5, за исключением РМ, размещены в объеме одного кристалла ИС.

Тонкопленочная матрица резисторов выполнена на втором кристалле. Использование взвешенных резисторов в старших разрядах (с первого по восьмой) и R—2R в младших разрядах (с девятого по двенадцатый) позволило использовать в резисторной матрице(РМ) резисторы в соотношении сопротивлений 1:4. Технологической особенностью изготовления кристалла является лазерная подгонка РМ на пластине и при функциональной настройке ЦАП.

Р ис. 5. Функциональная электрическая схема ЦАП К594ПА1

Операционный усилитель ЦАП содержит дифференциальный каскад, эмиттерный повторитель, усилительный каскад, выходной эмиттерный повторитель. Кроме того, в ОУ содержатся делители напряжения, обеспечивающие необходимые потенциалы на базах транзисторов токов и схемы управления.

Токовые переключатели, генераторы токов, схемы управления, элементы РМ распределены в ИС между тремя 4-разрядными ЦАП. Поскольку выходное сопротивление генераторов токов стабильно, разрядные токи зависят только от изменения номиналов резисторов РМ.

В коммутирующих ячейках ЦАП используются токовые переключатели на многоэмиттерных транзисторах. Токовые переключатели первого и второго ЦАП рассчитаны на выходные токи 1; 0,5; 0,25; 0,126 мА, третьего— на выходные токи 0,5; 0,25; 0,125; 0,0625 мА. Первая их группа подключается к выходу ИС непосредственно, а вторая и третья — через резисторные делители с коэффициентами деления 1/16 и 1/128. Переключение разрядных токов на общую или суммирующую шину происходит в зависимости от состояния разрядов кода.

Компенсирующий ОУ включен по схеме с замкнутой петлей обратной связи. Его инвертирующий вход соединен с общей шиной через резистор К2. Потенциал инвертирующего входа при таком включении стремится к нулю. Через резистор R1, сопротивление которого равно 20 Ом, на неинвертируютций вход ОУ подается напряжение 10 В от источника опорного напряжения (ИОН). По этой цепи протекает ток Iоп=0,5ма. Условием балансной работы ОУ является равенство Iоп=Iк, где Iк—ток коллектора специального транзистора-датчика, который выполнен в едином технологическом цикле с транзисторами разрядных генераторов токов; Iоп — ток в цепи ИОН. Транзистор-датчик обладает идентичными характеристиками с транзисторами генераторов токов и чувствителен к уходу их значений. Как только Iк превышает Iоп (из-за отклонения токов в разрядных цепях), на неинвертирующем входе ОУ устанавливается отрицательный потенциал относительно нулевого потенциала земли. В другом случае (Iк<Iоп) на указанном входе ОУ устанавливается положительный потенциал. И в том и в другом случае с выхода ОУ на базы транзисторов каждой из «четверок» токовых ключей поступает сигнал коррекции для восстановления равенства токов Iоп и Iк.

Первый 4-разрядный ЦАП образует разряды ИС с 1-го по 4-й и вносит основную долю всей погрешности преобразования. Его токовый диапазон равен 2 мА, причем через 1-й старший разряд протекает ток, равный 1 мА. Квант первого ЦАП соответствует токовому диапазону второго, а квант второго совпадает с токовым диапазоном третьей ячейки ЦАП.

Р ис. 6. Схема включения ЦАП К594ПА1 в режиме с униполярным выходным сигналом.

В ИС К594ПА1 размещены резисторы номиналом 5 кОм (выводы 3—5), которые включаются в цепь обратной связи внешнего ОУ и обеспечивают работу ЦАП с выходом по напряжению в диапазоне от 0 до 10 В и 20 В, а также от О до 5 В при параллельном включении обоих резисторов (рис.6). Резистор 10 кОм (выводы 1,2) обеспечивают режим работы с биполярным током в диапазоне напряжений +/-2,5; +/-5;+/-10 В (рис.7).

Подключение источника опорного напряжения Uref к выводу 23 ИС ЦАП К594ПА1 производятся через подстроечный резистор сопротивлением 100 0м или без него.

В режиме работы ЦАП с токовым выходом допускается подключение ИОН к выводу 22 ИС через внешний резистор сопротивлением 20 кОм. При этом стабильность выходного тока преобразователя будет зависеть от стабильности подключенного резистора.

При работе с биполярным выходным сигналом источник опорного напряжения подключается к внутреннему резистору обратной связи Rос (рис. 5), выводы 1,2 и смещает выходной сигнал на половину рабочего диапазона. При этом старший разряд становится знаковым, т.е. определяет полярность выходного сигнала.

Микросхема К594ПА1 обеспечивает нормы на электрические параметры, при номинальном значении Uref=10,24 В с допустимыми отклонениями ±3 % и стабильности поддержания напряжения 0,005%.

Р ис. 7.Схема ЦАП К594ПА1 в бицолярном режиме.

В лабораторной работе, принципиальная схема которой Рис. 8. Принципиальная схема лабораторной работы.

представлена на рис. 8, ЦАП работает с униполярным выходным сигналом. 12-разрядный цифровой код подается с двоичных счетчиков К155ИЕ5. На вход первого счетчика можно подавать одиночные импульсы с кнопки или

непрерывный ряд импульсов с генератора. Выбор режима определяется переключателем. Частота следования импульсов может плавно регулироваться потенциометром.

Порядок выполнения работы:

Р ис.9. Лицевая панель работы № 5

1. Подать импульсы с внутреннего генератора на вход счетчика, управляющего работой ЦАП

2. Наблюдать осциллографом форму выходного сигнала ЦАП, зарисовать ее, определить амплитудные и временные параметры выходного сигнала для двух крайних значений частоты генератора

3. Перейти в пошаговый режим, переключив тумблер в противоположное положение

4. Нажать кнопку “Сброс”

5. Подключить к выходу ЦАП цифровой мультиметр

6. Измерить напряжение на выходе ЦАП

7. Подать одиночный импульс на вход счетчика, нажав кнопку 2

8. Повторить п.6, 7 4096 раз, записывая показания мультиметра на каждом шаге

9. Подготовить отчет, представить график выходного напряжения, высчитать величину единицы младшего разряда ЦАП и статические погрешности.