Аналого-цифрового преобразования сигналов

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП, DAC - Digital to Analog Converter) предназначены для преобразо­вания цифровых сигналов в аналоговые. Они используют­ся для формирования сигнала в виде напряжения или тока, функционально связанного с управляющим кодом, причем в большинстве случаев эта функциональная зави­симость является линейной. ЦАП преобразует цифровой (двоичный или двоично-десятичный) код в напряжение или ток, значения которых пропорциональны цифровому сигналу. Так, например, на вход четырехбитового ЦАП могут поступать 16 различных двоичных чисел (2⁴ = 16) и каждому такому числу будет соответствовать строго свое значение напряжения на выходе ЦАП или величина вы­ходного тока. Очевидно, что с увеличением количества входов ЦАП увеличивается количество возможных значе­ний выходного параметра, а разность между двумя их со­седними значениями уменьшается, т. е. формируется вы­ходной сигнал, все более близкий к аналоговой величине.

Такое преобразование цифрового сигнала в аналоговый необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой сигнал для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук).

Другой пример использования такого преобразова­ния — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых опреде­ляется непосредственно аналоговым сигналом (что, в ча­стности, имеет место при управлении двигателями).

ЦАП применяются в системах передачи данных, в изме­рительных приборах (вольтметры, генераторы, цифровые осциллографы и т. п.), в компьютерных системах (форми­рование изображений на экранах дисплеев и т. п.), в радио­локационной технике и во многих других областях.

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелиней­ности, погрешность смещения нуля и др.

Разрешающая способность - величина, обратная мак­симальному числу шагов квантования. Иногда разрешаю­щую способность ЦАП оценивают величиной шага кван­тования, т. е. величиной выходного напряжения при изменении входного кода на единицу младшего разряда. Очевидно, что разрешающая способность тем выше, чем больше разрядность ЦАП.

Время установления t_ycт - интервал времени от пода­чи кода на вход до момента, когда выходной сигнал вой­дет в заданные пределы, определяемые погрешностью.

Погрешность нелинейности - максимальное отклоне­ние графика изменения выходного напряжения от идеаль­ной прямой во всем диапазоне преобразования.

Погрешность смещения нуля - значение, на которое выходной сигнал смещается относительно нуля, когда входной код соответствует нулю.

Все ЦАП классифицируют по ряду признаков: принци­пу действия, по виду выходного сигнала, по характеру источника опорного напряжения, по полярности выход­ного сигнала и др.

Кроме этого ЦАП подразделяют по количеству входных разрядов, элементной базе, времени установления, по­требляемой мощности, напряжению питания и т. п.

По принципу действия наибольшее распространение получили ЦАП с суммированием токов, делением напря­жений и суммированием напряжений.

По виду выходного сигнала все ЦАП разделяют на ЦАП с токовым выходом и ЦАП с выходом по напряжению.

По характеру источника опорного напряжения разли­чают ЦАП с постоянным опорным напряжением и с из­меняющимся опорным напряжением.

По полярности выходного сигнала ЦАП подразделяют на одно- и двухполярные.

Как и рассматриваемые ниже аналого-цифровые пре­образователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существу­ют различные принципы построения ЦАП.

Рассмотрим наиболее используемые из них. На рис. 21 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Рисунок 21

Ключ S₅ замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S₁…S₄ (при этом U_вых = 0). U₀ - опорное напряже­ние. Каждый резистор во входной цепи соответствует оп­ределенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП - инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ S₁, то U_вых=-U₀·R_oc/R , что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах.

Из анализа схемы следует, что модуль выходного напря­жения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S₁...S₄. Токи ключей S₁...S₄ суммируются в точке а, причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определя­ет название схемы. Из вышеизложенного следует, что

т.е.

где S_i, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответ­ствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Состояние ключей определяется входным преобразуе­мым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значитель­ные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить зат­руднительно.

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R (матрицы постоянного сопротивления) (рис. 22). В схе­ме использованы так называемые перекидные ключи S₁...S₄, каждый из которых в одном из состояний подклю­чен к общей точке, поэтому напряжения на ключах неве­лики. Ключ S₅ замкнут только тогда, когда все ключи S₁...S₄ подключены к общей точке. Во входной цепи ис­пользованы резисторы всего с двумя различными значе­ниями сопротивлений.

Рисунок 22

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S₁...S₄. Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каж­дый из ключей S₁...S₄ подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек a...d в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке b в 2 раза больше, чем в точке а (напряжения U_a, U_b,U_си U_dв ука­занных точках определяются следующим образом: U_d= U₀; U_c = U₀/2; U_b = U₀/4; U_a = U₀/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точ­ках a...d не изменятся, так как напряжение между входа­ми операционного усилителя практически нулевое.

Нетрудно видеть, что особенностью данной матрицы является то, что при любом положении ключей S₁...S₄ входное сопротивление матрицы всегда равно R, а следо­вательно, ток, втекающий в матрицу от источника опорного напряжения U₀ , всегда равен I₀ = U₀/R. Далее он последовательно делится в узлах матрицы d, c, b, a по двоичному закону.

Для представления каждого разряда десятичного чис­ла используется отдельная матрица R-2R (обозначены прямоугольниками). Z₀...Z₃ обозначают числа, определен­ные состоянием ключей каждой матрицы R-2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопро­тивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ фрагмента схемы, представленного на рис. 23.

Из анализа следует, что

где

Следовательно, С учётом этого получим

Таким образом, в рассмотренных схемах с помощью операционного усилителя осуществляется преобразование двоично-масштабированных токов в выходное напряже­ние. Однако операционные усилители являются самыми медленнодействующими частями ЦАП. Более высокое быстродействие обеспечивают ЦАП с токовым выходом. Токи в таких ЦАП можно сформировать с помощью мат­рицы транзисторных источников тока с масштабирующи­ми эмиттерными резисторами или используя матрицу R-2R из эмиттерных резисторов. Рассмотрим оба эти ва­рианта. На рис. 24 представлена схема четырехразряд­ного ЦАП с матрицей R-2R, а на рис. 25 - ЦАП с мас­штабирующими эмиттерными резисторами.

Рисунок 23

Преобразователь опорного напряжения в ток построен на основе операционного усилителя ОУ, транзистора Т₀ и образцового резистора R₀, и опорный ток равен I₀ = U₀/R₀. Напряжения на базах транзисторов источников разрядных токов равны напряжению на базе транзистора Т₀ (все базы транзисторов соединены), поэтому токи в них определя­ются матрицей R-2R (рис. 24) или матрицей масшта­бирующих (взвешенных) резисторов R...8R (рис. 25) и удваиваются от транзистора к транзистору. Так, ток в тран­зисторе T₁ в два раза меньше, чем в транзисторе Т₂, в 4 раза меньше, чем в транзисторе T₃ и в 8 раз меньше, чем в тран­зисторе T₄, т. е. ключ S₁ соответствует младшему разряду четырехразрядного двоичного числа, а S₄ - старшему раз­ряду. Если ключ S_i находится в левом положении, то это соответствует единице в соответствующем i-м разряде входного числа. Правое положение ключа S_i соответству­ет нулю в этом i-м разряде. Таким образом, через транзис­торы Т₄-T₁ протекают двоично-взвешенные токи и транзи­сторы имеют соотношение площадей 8:4:2:1 соответственно. Изменение этих токов от расчетных величин контролиру­ется по току I₀ транзистора Т₀, который находится с тран­зисторами T₄-Т₁ в одинаковых температурных условиях. При отклонении I₀ от заданного значения на базы тран­зисторов Т₄-T₁ будет подаваться сигнал коррекции, что приведет к восстановлению между ними исходного соот­ношения 8:4:2:1.

Рисунок 24

Выпускаемые ЦАП часто содержат комбинированные резистивные матрицы. Так, микросхема ЦАП типа К594ПА1 представляет собой двенадцатиразрядный ЦАП на комбинированной резистивной матрице и биполярных транзисторах. В резистивной матрице использованы дво­ично-взвешенные резисторы в старших разрядах с перво­го по восьмой и матрица R-2R в младших разрядах с де­вятого по двенадцатый. Матрица выполнена на отдельном кристалле, входящем в микросхему, по тонкопленочной технологии и при ее изготовлении используется лазерная подгонка резисторов матрицы.

Рисунок 25

Если для ЦАП с токовым выходом требуется получить выходное напряжение, то сделать это можно подключая к его выходу внешний операционный усилитель с резис­тором в цепи отрицательной обратной связи, аналогично как в выше рассмотренных ЦАП (рис. 21- 23). За­частую этот (или эти) резисторы встроены в ЦАП. Так, в ЦАП типа К594ПА1 имеются 2 прецизионных резистора по 5 кОм каждый, и они могут включаться в цепь отрица­тельной обратной связи внешнего операционного усили­теля либо последовательно, либо параллельно, либо мо­жет включаться один из резисторов. При этом выходное напряжение будет изменяться в первом случае до 20 В, во втором - до 5 В, а в третьем - до 10 В.

Как следует из анализа ранее рассмотренных ЦАП (рис. 21 ), их выходное напряжение пропорциональ­но произведению опорного напряжения на входной циф­ровой код. Это используют для построения умножающих ЦАП, в которых отсутствует источник опорного напряже­ния, но имеется вход для его подключения. Если на этот вход умножающего ЦАП подавать переменное напряже­ние, то на выходе ЦАП будет также переменное напряже­ние, амплитуда которого определяется цифровым кодом на входе ЦАП. Это обстоятельство используют для изме­нения величины переменного аналогового сигнала в за­данное число раз, например, в цифровых аттенюаторах различных приборов.

В умножающих ЦАП обычно применяются токовые ключи на основе МДП-транзисторов в режиме малых на­пряжений стока, что дает им возможность работать с опорным напряжением произвольных знака и формы. Выходное напряжение таких ЦАП также может быть как положительным, так и отрицательным.

Применение рассмотренных ЦАП (с параллельной пе­редачей данных) совместно с микропроцессорами приво­дит к тому, что эти устройства занимают слишком много портов микропроцессора. В этом случае можно использо­вать последовательные ЦАП (ЦАП с последовательным интерфейсом). Такие ЦАП часто имеют встроенный ре­гистр сдвига данных, которые поступают на ЦАП в после­довательном виде, а снимаются в параллельном. Следует иметь в виду, что скорость передачи данных в таких ЦАП ниже, чем в ЦАП с параллельной передачей данных.

ЦАП могут быть одно- и многоканальными. Многока­нальная работа ЦАП обеспечивается либо объединением в одной микросхеме нескольких идентичных ЦАП, рабо­тающих независимо друг от друга, либо использованием коммутатора каналов.

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 11 18 и др. В табл. 1 приведе­ны параметры некоторых ЦАП.

Таблица 1

Так, микросхема К1108ПА1 представляет собой быст­родействующий 12-разрядный ЦАП и согласуется с ТТЛ схемами. Преобразует 12-разрядный параллельный код в выходной униполярный или биполярный ток. В состав микросхемы входят 12 токовых ключей, схема стабилиза­ции тока ключей, резисторная матрица R-2R. Преобразо­вание осуществляется по принципу суммирования двоич­но-взвешенных токов. Применяется в быстродействующих системах обработки информации, измерительной техни­ке, системах автоматического регулирования, связи, про­мышленного и вещательного телевидения.

В табл.1 две последние микросхемы - это ЦАП фир­мы Maxim с последовательным интерфейсом. Так, микро­схема МАХ551 представляет собой 12-разрядный ЦАП с выходом по току с напряжением питания 5 В, очень ма­лым током потребления - 5 мкА и малым временем уста­новления - 80 нс.

В тех случаях, когда необходимо уменьшить количество разрядов используемых ЦАП, необходимо на нужное ко­личество младших разрядов ЦАП подать логические нули, т. е. подключить то или иное число младших разрядов ЦАП к «земле».