17. Цифро-аналоговые преобразователи.

Cм. стр.161-182 в [2]

18. Цап на "взвешенных" резисторах

Cм. стр.182-184 в [2]

19. Цап на сетке r-2r

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) находят широкое применение в си-

стемотехнике для преобразования информации, представленной в цифровой фор-

ме, в информацию, представленную в аналоговой форме (например, уровнем на-

пряжения, тока, частотой сигнала, сдвигом фазы между опорным и вспомога-

тельным сигналами одной частоты и т.д.). Наибольшее рапространение получи-

ли ЦАП, преобразующие двоичный код в напряжение, сокращенно - ПКН (преобра-

зователи "код-напряжение"), поэтому в общетехнической литературе под ЦАП

часто понимается именно ПКН, а никакой-либо другой тип ЦАП.

Uоп ─Iос Rос

│ In+1 ┌─────██████──────┐

An ┼ 2R │ │

├────██████────┐ Sn I ─ B│ Uвх-┌──┬──┬──┐ │

│ ─ │ ────────┬──────┴──────┤- │M│ │ │

│ In ┼ ─────┐ │ ─Iвх │ │ │ ├─┴─ Uвых

▐█▌ │ │ │ │ │ │

R▐█▌In an │ │ ┌──┤+ │ │ │

│ │ │ │ └──┴──┴──┘

An-1┼ 2R │ │ ─┴─ AD1

├────██████────┐Sn-1 │ │

│ ─ │ ─────│──┤

│ In-1 ┼ ─────┤ │

▐█▌ │ │

R▐█▌In-1 a(n-1)│ │

│ │ │

An-2┼ │ │

│ │ │

│ │ │

A1┼ 2R │ │

├────██████────┐S1 │ │

│ ─ │ ─────│──┤

│ I1 ┼ ─────┤ │

▐█▌ │ │

R▐█▌I1 a1 │ │

│ │ │

A0┼ 2R │ │

├────██████────┐S0 │ │

│ ─ ┼ ─────│──┘

│ I0 │ ─────┤

▐█▌ │

2R▐█▌I0 a0 │

─┴─ ─┴─

Рис.1.

В вычислительной технике ЦАП часто используются в устройствах сопря-

жения ЦВМ с объектом управления (УСО) для передачи управляющего воздейст-

вия на объект в форме непрерывного аналогового сигнала, а также в устройс-

твах речевого (акустического) вывода информации из ЦВМ.

Основой многих ЦАП типа "код-напряжение" или "код-ток" служит сетка

R-2R с набором аналоговых ключей, управляемых значениями двоичных разря-

дов преобразуемого кода. Электрическая схема одного из вариантов такого

ЦАП, включающая в себя операционный усилитель для преобразования суммы

входных токов в пропорциональный сигнал напряжения, приведена на рис.1.

Cтрелками с написанной рядом буквой ai условно обозначены входы управле-

ния соответствующих аналоговых ключей Si.

Cетка R-2R обладает следующим интересным свойством. Например, если

ее разорвать в точке A0 и проанализировать сопротивление нижней части

сетки относительно "земли" (т.е. относительно шины нулевого потенциала),

то окажется, что это сопротивление практически не зависит от положения

переключателя S0 и равно R.

Cоответствующий фрагмент сетки R-2R изображен на рис.2.

A0┼ 2R │ │

├────██████────┐S0 │ │

│ ─ ┼ ─────│──┘

│ I0 │ ─────┤

▐█▌ │

2R▐█▌I0 a0 │

─┴─ ─┴─

Рис.2.

При верхнем положении аналогового переключателя S0 резистор 2R под-

ключен к инвертирующему входу операционного усилителя AD1, потенциал ко-

торого (Uвх-) поддерживается благодаря отрицательной обратной связи на

близком к нулю уровне. При нижнем положении переключателя S0 резистор 2R

подключен непосредственно к "земле" (рис.2). Таким образом, точка A0

оказывается соединенной с близкими к нулю потенциалами через два парал-

лельно включенных резистора 2R, т.е. сопротивление точки A0 относительно

"земли" оказывается равным R.

Если рассмотреть аналогичную точку A1, заменив нижний фрагмент сетки

R-2R (от точки A0 вниз) его эквивалентным сопротивлением, то получим

схему, приведенную на рис.3, повторяющую по сути дела схему на рис.2.

A1┼ 2R │ │

├────██████────┐S1 │ │

│ ─ │ ─────│──┤

│ I1 ┼ ─────┤ │

▐█▌ │ │

R▐█▌I1 a1

│ │ │

A0┼

▐█▌ │ │

R▐█▌

─┴─ ─┴─

Рис.3.

Рассуждая аналогично, приходим к выводу что сопротивление точки A1 отно-

сительно "земли" тоже равно R. Те же самые рассуждения позволяют дока-

зать, что нижние фрагменты сетки R-2R, отсекаемые точками Ai,..., An-1,

An, также равны R, и, следовательно, потребляемый от источника опорного

напряжения Uоп ток не зависит от состояния переключателей S0, S1, ...,

Sn-1, Sn, поскольку сопротивление точки An относительно "земли" всегда

равно R.

С другой стороны ток I1, втекающий через точку A0 во фрагмент сетки

R-2R, изображенной на рис.2, делится, как ясно из схемы, на два одина-

ковых тока: I0+I0=I1. В свою очередь, ток I2 (cм.рис.3) также делится

на два одинаковых тока: I1=0,5 х I2, и т.д., вплоть до тока In+1 = In +In.

То есть через горизонтальные сопротивления 2R и ключи Sj протекают

"взвешенные" в соответствии с весами двоичных j-тых разрядов токи: через

ключ S1 - ток I1 c "весом" I1 = I0 х 2; через ключ S2 - ток I2 с "весом"

I2 = I0 х 4; через ключ Sn - ток In c "весом"

In = I0 х (2 в степени n).

Входной двоичный код ЦАП можно записать как сумму произведений значений

j-того двоичного разряда (1 или 0) на два в j-ой степени.

При верхнем положении ключа Sj, т.е. при единичном значении соответ-

ствующего двоичного разряда входного кода Nвх, соответствующий ток Ij

поступает на инвертирующий вход усилителя AD1, при нижнем - нет. Таким

образом, сумма токов I, поступающих на инвертирующий вход AD1, определя-

ется аналогичным выражением, то есть суммой произведений токов I0 на зна-

чение соответствующего j-того разряда кода Nвх и на два в степени j.

При большом входном сопротивлении усилителя AD1 можно считать, что ток

Iвх = 0. Согласно закону Кирхгофа для узла "B" и закону Ома для цепи Roc:

I - Iос = 0

Uвх - Uвых Uвых

I = ───────── = - ────── (2)

Roc Roc

Uвых = - I * Rос,

где ток I прямо пропорционален входному двоичному коду Nвх.

Следоватлеьно, ЦАП реализует линейную зависимость между входным двоич-

ным кодом и выходным напряжением.

Микросхема КР572ПВ1 содержит сетку R-2R на 12 двоичных разрядов,

ключи S0...S11, входы управления которыми 0... 11 являются входами цифро-

вого кода ЦАП, резистор Roc и ряд дополнительных вспомогательных резисто-

ров. Источник опорного напряжения и операционный усилитель AD1 должны под-

ключаться к микросхеме КР572ПВ1 как внешние элементы.

Список контрольных вопросов.

1. Для чего могут использоваться ЦАП?

2. Чем определяется знак выходного напряжения на выходе ЦАП типа К572ПВ1?

3. Сколько различных номиналов резисторов содержит сетка R-2R?

4. Какова зависимость величины выходного сигнала от входного кода для идеального ЦАП?

5. В чем обычно измеряется точность преобразования в ЦАП?

6. Возможно ли в ЦАП не сетке R-2R разнополярное выходное напряжение (да/нет)?

7. Что нужно добавить к однополярному ЦАП на сетке R-2R, чтобы получить двухполярный?

8. К какому из перечисленных типов ЦАП можно отнести ЦАП на сетке R-2R?

9. Каковы основные источники статических (постоянных) погрешностей в ИС ЦАП на сетке R-2R?

10. Можно-ли на сетке R-2R сделать схему умножения аналогового сигнала на цифровой код?

Структурная схема установки для лабораторных работ.

┌──────────────┬─────┐ ┌───┬───┬───┐ К572ПВ1

│ Источники │ D0├───────────┤D0 │DAC│ R ├──────────────────────────┐

│ сигналов: │ D1├───────────┤D1 │ │ │ │

│ │ . │ │ . │ │ Er├────┐ КР140УД8 │

│Число разрядов│ . │ │ . │ │ │ │ ┌───┬───┬───┐ │

│ЦАП: │ . │ │ . │ │ I ├────┼──┤ - │ M│ U ├──────┤

│ │ │ │ │ │ -I├─┐ │ │ │ │ │ │

│ Начальный │ D11├───────────┤D11│ │GND├─┴┬─┼──┤ + │ │ │ │

│код: │ │ └───┴───┴───┘ │ │ └───┴───┴───┘ │

│ │ GND├──────────────────────────┘ │ ┌─────────────────┘

│ Конечный │ │ │ │ ┌───┬───────────┐

│код: │ │ │ └─┤ Y │ Двухкоор- │

│ │ │ │ │ │ динатный │

│ Режим: авто- │-Eref├────────────────────────────┘ │ │ графопо- │

│матический ин-│D0/11├──────────────────────────────────┤ X │ строитель │

│ кремент кода │ │ └───┴───────────┘

└──────────────┴─────┘