4. Преобразователи цифровых кодов в электрические сигналы (цап)

4.1. Классификация

Структурно классификация ЦАП представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Классификация ЦАП.

Преобразователи цифровых кодов в электрические сигналы подразделяются на

- преобразователи с суммированием с учетом веса разряда;

- преобразователи с суммированием единичных приращений аналоговой величины.

1. Принцип цифро-аналогового преобразования с суммированием с учетом веса разряда заключается в суммировании аналоговых величин, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода. Действительно, любое двоичное число может быть представлено в виде:

.

Отсюда следует, что если есть необходимость преобразования двоичного кода числа в аналоговую величину, то каждой единице числа необходимо поставить в соответствие напряжение или ток (аналоговую величину) со своим весом, а затем их просуммировать.

В зависимости от алгоритма обработки преобразователи первого типа можно разделить на последовательные и параллельные.

Последовательные преобразователи удобно применять при последовательной передаче кодов, отличаются схемной простотой и основаны на применении двух схем выборки и хранения (СВХ).

Последовательные ЦАП имеют, по сравнению с параллельными, меньшее быстродействие.

Подавляющее большинство ЦАП в настоящее время строится по схемам параллельного действия. Принцип их работы основан на суммировании токов или электрических зарядов, соответствующих весам разрядов.

Обычно суммирование производится операционным усилителем (УПТ), напряжение на выходе которого, пропорционально входному коду .

Так, для двоичного входного кода имеем

,

где – разрядные коэффициенты кода, при этом, если– подключениетока, если–отключен;– эталонный ток-го разряда,– эталонный ток преобразователя,– сопротивление обратной связи усилителя.

В зависимости от вида источников эталонных токов ЦАП можно разделить на две группы: с резистивными сетками и активными делителями (генераторами) опорных токов.

Резистивные сетки могут, в свою очередь, выполняться в следующем виде:

- с использованием весовых резисторов (их номиналы соотносятся по степеням двойки);

- с использованием резисторов двух номиналов _.

2. Преобразователи с суммированием единичных приращений аналоговой величины обычно используют преобразование кода в промежуточную аналоговую величину.

Они имеют большое время установления сигнала, поэтому их используют при скоростях преобразования не выше 100 преобразований в секунду. Их преимущество – сравнительно небольшой объем аналогового оборудования.

Промежуточной аналоговой величиной является длительность (ШИМ) или частота (ЧИМ) следования импульсов.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция.

ЧИМ – частотно-импульсная модуляция.

В полно-декодирующих ЦАП (параллельных) используется преобразователь весового кода в термометрический код с суммированием единичных напряжений или токов, пропорциональных .

4.2. Цап с весовыми резисторами

На рис. 4.2 представлена схема ЦАП, которая состоит из интегральных схем резистивной сетки (СР), аналоговых ключей на полевых транзисторах и операционного усилителя ОУ.

Рис. 4.2. ЦАП с весовыми резисторами.

Разрядные токи определяются весовыми резисторами СР и источником эталонного напряжения ИОН. Суммирование токов осуществляется ОУ, имеющим близкое к нулю входное сопротивление суммирования. На инвертирующем входе ОУ потенциал «квазинуля». Сопротивление резисторов в цепях разрядов изменяются по закону .

При ключоткрыт, и ток от источника эталонного напряжениячерез соответствующий резисторподается на вход ОУ.

.

При ключзамкнут на землю иток в образовании суммарного входного тока ОУ не участвует.

Таким образом, ток, втекающий в суммирующую точку ОУ, зависит от значения входного кода и определяется выражением

.

Операционный усилитель преобразует ток в выходное напряжение, при этом с помощью резистора обратной связипроизводится требуемое масштабирование выходного напряжения:

.

Источниками погрешностей в ЦАП с весовыми резисторами является ОУ, источник опорного напряжения (ИОН), СР и ключи .

Определим составляющие погрешности ЦАП.

1. От ОУ.

Погрешности ОУ, вносимые в схему ЦАП, зависят от напряжения смещения и разности входных токов.

Отклонение выходного напряжения от

.

Максимальное значение погрешности достигается при максимальном входном коде.

Эквивалентная схема имеет вид:

Тогда входная проводимость

.

При и выше можно записать, т.е.. Если принять, будем иметь

.

Отклонение выходного напряжения из-за разности входных токов равно:

.

Погрешность в выходном напряжении от ОУ будет равна:

.

Относительная погрешность в выходном напряжении от ОУ будет равна:

при ,.

Следует учесть, что и изависят также и от температуры и от отклонений в питающих напряжениях, поэтому формула дляв реальности более сложная.

2. От сетки резисторов (СР).

Можно показать, что

Возьмем частные производные по и

; ;

; ;

.

Приведенная к погрешность будет равна:

.

Минимального значения погрешность достигает, когда при равенстве абсолютных значений погрешности весовых резисторов и резистора обратной связи имеют одинаковые знаки. Изготовление всех резисторов СР по единой технологии совместно сприводит к малому разбросу их относительных погрешностей и температурных коэффициентов.

3. От ключей.

Погрешности ключей, обусловленные ненулевым значением его сопротивлений в замкнутом состоянии; могут быть учтены таким же образом, как и влияния отклонений весовых резисторов на погрешность выходного напряжения.

Недостатком ЦАП с весовыми резисторами является широкий диапазон номиналов резисторов .

Хотя количество резисторов – минимально возможное для ЦАП с СР, общая сумма сопротивлений всех весовых резисторов составляет

,

и при большом количестве разрядов обуславливает большую площадь СР. Площадь под СР может быть определена по формуле , где. Тогда общая площадь СР, где- площадь контактных площадок. Мощности, рассеиваемые резисторами и токи, протекающие в них, также имеют диапазон. Все это приводит к трудностям поддержания необходимого соотношения резисторов в широком температурном диапазоне.

Достоинство таких ЦАП – легкость настройки.