13. Цифро-аналоговые преобразователи. Основные типы цап. Параметры цап. Статическая характеристика преобразования цап (в виде графика). Интерфейс данных цап. Опорное напряжение.

ЦАП получает на входе цифровое значение амплитуды и выдает на выходе импульсы напряжения или тока нужной величины, которые расположенный за ним интегратор превращает в непрерывный аналоговый сигнал.

На входе ЦАП также может устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов внутри ЦАП на параметры выходного сигнала.

Эти приборы во многих случаях входят в АЦП составной частью, чтобы управлять клапаном гидроусилителя, катушкой громкоговорителя или аналогичными изделиями от цифрового вычислителя.

При выборе ЦАП необходимо определить разрядность прибора N, где 2N будет эквивалентно max значению аналогового выходного сигнала. Min значение аналогового сигнала соответствует 1-ой дискрете и получается при подаче на вход ЦАП логической 1 только 1-го младшего значащего разряда (1 МЗТ).

Основные типы ЦАП

1. Взвешенные – с суммированием токов или напряжений, когда каждый разряд входного слова вносит соответствующий своему двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала (параллельные или многоразрядные - multibit).

2. Сигма-дельта. (Sigma-Delta \ Delta-Sigma). По принципу действия обратные АЦП того же типа. Входной цифровой сигнал подвергается значительной передискретизации (в 64 раза и более) и подается на модулятор, формирующий малоразрядные (обычно однобитовые) значения. Полученные в результате малоразрядные отсчеты управляют схемой выдачи эталонных зарядов, которые со столь же высокой частотой добавляются к выходному сигналу.

3. Тип ЦАП выдающих истинно одноразрядный поток (bitstream – модуляция плотностью импульсов [PDM – PulseDensityModulation]). Несколько другой тип представляют ЦАП с ШИМ, когда на схему выборки-хранения аналогового сигнала выдаются импульсы постоянной амплитуды и переменной длительности, управляя дозированием выдаваемого на выход заряда.

Параметры ЦАП:

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N через единицу младшего разряда выходной сигнал U_вых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис 7.1), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат.

Большинство параметров ЦАП аналогично параметрам для АЦП, но имеются и специфические.

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода обычно от величины «все нули» до «все единицы». Тогда мы имеет следующие характеристики:

1. Время установления – интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 7.2) t = 0 до момента, когда в последний раз выполняется равенство |U_вых – U_пш| = d / 2, включая любую статическую ошибку.

2. Скорость нарастания – максимальная скорость изменения U_вых (t) во время переходного процесса.

Таким образом, идеальный ЦАП должен мгновенно выдавать аналоговый сигнал при подаче на вход цифрового кода. Реально аналоговый сигнал на выходе появляется через некоторое время установки, которое состоит из времени внутренней задержки, распространения и ограниченной скорости нарастания выходного напряжения.

Помеха, именуемая цифровым прониканием может быть измерена на выходе ЦАП. Для этого каждое цифровое переключение на входе фиксируется на выходе в виде дополнительных выбросов статической составляющей.

Интерфейс данных

Раньше данные в ЦАП поступали в параллельном коде. Преимущество заключалось в быстроте передачи данных и простоте протокола связи. Но минимизация радиоаппаратуры требует уменьшения размеров корпуса микросхемы. Это достигается за счет передачи последовательного кода данных. Протокол последовательного периферийного интерфейса и микросхемы, с ним связанные, сегодня имеют уже большую долю рынка ЦАП. И часто требуется гальваническая развязка линии данных. Наиболее просто это осуществляется с помощью оптронных приборов при последовательном интерфейсе.

Опорное напряжение

Характеристики ЦАП в большей степени определяются источников опорного напряжения (ИОН), который может быть встроен в корпус преобразователя или применяться как внешний элемент. Если на выходе аналоговый сигнал не усиливается, то максимальный входной код соответствует U_оп. Опорное напряжение также определяет напряжение шага, то есть изменение выхода в ответ на один переход младшего значащего разряда (МЗР) на входе. Он будет равен U_оп / 2N, где N – разрядность ЦАП. При подключении внешнего ИОН нужно учитывать не только ток и напряжение, которые требуются ЦАП, но и те динамические эффекты, которые происходят во внутренней структуре преобразователя.

Изменение входного кода вызывает изменение сопротивления нагрузки ИОН, поэтому нужно выбирать такой ИОН, который мог бы поддерживать выходной ток и напряжение при каждом шаге изменения нагрузки в пределах требуемого времени преобразования ЦАП.

14. СИСТЕМНЫЙ РАСЧЕТ АЦП: КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АЦП, ИСХОДНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ РАСЧЕТЫ (ВЫБОРА) АЦП(ОКРУГЛЕНИЕ(КВАНТОВАНИЕ), ВИДЫ ПОГРЕШНОСТЕЙ, СРЕДНЕКВАДРАТИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ (СКП), КВАНТОВАНИЕ ПО УРОВНЮ, СКП КВАНТОВАНИЯ ПО ВРЕМЕНИ, МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ АЦП), ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ АЦП, ПОРЯДОК ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО РАСЧЕТА АЦП.

1.Краткие сведения об АЦП

АЦП служит для преобразования входной аналоговой величины от объекта контроля и/или управления в соответствующий ей цифровой эквивалент-код, который является его входным сигналом. В основе классификации АЦП лежат два признака: алгоритм его работы или метод преобразования и род аналоговой величины.Наибольшее распространение на практике нашли три классических метода преобразования : метод последовательного счета, метод поразрядного кодирования и метод считывания.

Метод последовательного счета - входная аналоговая величина уравновешивается суммой одинаковых минимальных эталонов, называемых квантами.

Метод поразрядного кодирования - входная величина последовательно сравнивается с суммой эталонов, имеющих 2^j элементов, где j=n-1,n-2, ...2,1,0 (где n - количество разрядов в двоичном коде).

Метод считывания - здесь используется набор из 2^(n)-1 эталонов : младший эталон равен одному кванту, следующий - двум квантам и старший - (2^k)-1 квантам.

В АЦП используются следующие виды кодов : двоичные, десятичные коды, двоично-десятичные (например, 8421), отраженные (рефлексные), в частности, наиболее распространённый код Грея, предложенный в 1953 году, и корректирующие коды.