6.1.2. Последовательные цап
Если по условию решаемой задачи не требуется высокого быстродействия, то можно воспользоваться последовательной схемой преобразования цифровых кодов в аналоговый сигнал. Схемотехнику построения ЦАП такого типа рассмотрим на примере преобразователя с применением двух схем устройств выборки хранения (УВХ) (рис.6.7) с общей обратной связью [15]. Двоичная кодовая комбинация сигналов Uk последовательно, начиная с младшего разряда, поступает на управляющий вход ключа К1. При поступлении на вход двоичного сигнала "единица" ключ К1 замыкается и его опорное напряжение U0 подключается ко входу первого УВХ (ОУ-А1). Когда поступает кодовый разряд "ноль", ключ К1 остается разомкнутым. ОУ А1 выполняет операцию суммирования сигнала U0 (когда К1 замкнут) с сигналом U2i, формируемым на выходе А2 с коэффициентом передачи 0,5. Для этого выполняется следующее соотношение резисторов
R1=R3=0,5R2.
Обработка каждого разряда кода длится в течение 2-х тактов ti1 и ti2. В первом такте замыкается ключ К2, и на выходе ОУ А1 устанавливается сигнал
U1i=0,5[U0+U2(i-1)],
где U2(i-1) - сигнал на выходе А2,соответствующий коду разряда i-1.
Во втором такте К2 размыкается и замыкается ключ КЗ. При R4=R5 на выходе ОУ А2 устанавливается напряжение U1i=U2i.
Если на вход ЦАП поступает кодовый разряд со значением 0, то в первом такте на выходе ОУ А1 формируется сигнал U1i =0,5U2(i-1)), который на втором такте запомнится на выходе ОУ А2. После окончания цикла преобразования сигналом Uц открывается ключ К4, с выхода которого снимается исходный сигнал.
Рис. 6.7. Схема ЦАП последовательного действия
Таблица 6.1 иллюстрирует механизм формирования аналогового сигнала на выходе ОУ А2 для трехразрядного двоичного кода. Анализ первой строки таблицы показывает, что вес "десятичной единицы" (кода числа один) падает с ростом разрядности n преобразуемого кода. Можно определить, что этот вес может быть подсчитан по формуле U(l)= U0/2n, a напряжение на выходе ЦАП в зависимости от поступающего на вход двоичного кода определяется как
U(K)=U(l)K = KU0/2n,
где К - десятичное обозначение двоичного кода разрядности n, поступающего на вход ЦАП.
К достоинствам последовательных ЦАП относят то, что они не требуют дополнительных схемных решений при работе с последовательными кодами, например, при работе с последовательными портами ЭВМ.
К основным недостаткам ЦАП последовательного действия относят их низкое быстродействие, поскольку на каждом такте необходимо обеспечивать временную задержку, связанную с требуемым временем заряда конденсатора. Например, для схемы рис.6.7 при постоянной времени заряда конденсаторов 1мкс и 12-ти разрядном входном коде время преобразования составляет не менее 0,3мс, поэтому наибольшее распространение получили параллельные схемы ЦАП.
Таблица 6.1
Формирование аналогового сигнала ЦАП последовательного действия
Десятичное обозначение |
двоичный код |
номер второго такта ti2 |
|||||
1 |
2 |
3 |
|||||
А1 |
A2 |
Al |
A2 |
Al |
A2 |
||
1 |
001 |
0,5U0 |
0,5U0 |
0,25U0 |
0,25U0 |
0,125U0 |
0,125U0 |
2 |
010 |
0 |
0 |
0,5U0 |
0,5U0 |
0,125U0 |
0,125U0 |
3 |
011 |
0,5U0 |
0,5U0 |
0,75U0 |
0,75U0 |
0,375U0 |
0,375U0 |
4 |
100 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0,5 U0 |
0,5U0 |
5 |
101 |
0,5U0 |
0,5U0 |
0,25U0 |
0,25U0 |
0,625U0 |
0,625U0 |
6 |
110 |
|
0 |
0,5U0 |
0,5U0 |
0,75U0 |
0,75U0 |
К классу последовательных ЦАП относят также так называемые сигма-дельта-ЦАП характерной особенностью работы которых является принципиальная возможность повышения точности преобразований за счет применения эффективных методов борьбы с помехами связанными с механизмами квантования сигналов. В состав таких ЦАП включают сигма-дельта-модулятор, который спектр шума квантования “переносит” в высокочастотную область где он легко отфильтровывается от полезного сигнала обычными фильтрами низких частот. Техника такого преобразования сложнее традиционно принятой при построении ЦАП, но современные технологии позволяют реализовать такие ЦАП за приемлемые цены, поэтому сигма-дельта ЦАП начинают находить все более широкое применение. Подробнее со схемотехникой сигма-дельта ЦАП можно ознакомиться в специальной литературе, например в [3].
Как последовательные, так и параллельные ЦАП удобно использовать для так называемого прямого синтеза сигналов в результате которого на выходе ЦАП формируется сигнал, заранее заданной формы, например, эталонные электрокардиограммы, электроэнцефалограммы и др. в норме и патологии для настройки систем принимающих решение.
В простейшем случае коды генерируемых сигналов могут находиться в памяти цифровой системы и последовательно передаваться на входы ЦАП, на выходе которого может стоять сглаживающий фильтр.
Широкое распространение в системах прямого синтеза сигналов на основе ЦАП, получила схема с генератором фазового угла, выбирающая через определенные промежутки времени коды из памяти для их преобразования (рис. 6.8).
Рис. 6.8. Структурная схема генератора прямого синтеза сигналов
Требуемое приращение фазы генерируемого сигнала Δφ поступает во входной регистр Pг1. Текущее значение фазы сигнала реализуется в накапливающем сумматоре, состоящем из комбинационного сумматора (СМ) и регистра Pг2, которая сменяется с частотой fT. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) хранятся последовательности кодов, определяющих амплитуду сигнала. Адреса выбора кодов формируются Pг2. Цифроаналоговый преобразователь преобразует коды выбираемые из ПЗУ в аналоговый сигнал с точностью определяемой разрядностью регистров, тактовой частотной и величиной Δφ.