2018

мы, что для его исключения была разработана очень остроумная схема коммутации одинаковых резисторов во всех разрядах преобразователя, точнее, комбинации R-2R (цепная R-2R схема). Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами (подробнее см. ниже). Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости ключей.

В данной работе будет исследоваться именно ЦАП тока на структурах R-2R, схема которого имеет вид, приведенный на рис. 3.3. Здесь S0…S(n-1) – электронные двухпозиционные ключи, реализация которых будет показана ниже.

Рис. 3.3 Анализ схемы базируется на двух свойствах ОУ, охвачен-

ного ООС:

входные токи ОУ пренебрежимо малы;

разность потенциалов на входах поддерживается усилителем через цепь ОС близкой к нулю.

С помощью переключающих элементов S0…S(N-1) выходы звеньев подключаются к двум общим линиям 1 и 2. На линии 2 нулевой потенциал, на линии 1 такой же (таково свойство схемы ОУ, охваченного ООС – см. выше), поэтому эквива-

41

лентное сопротивление справа от каждого узла матрицы будет равняться 2R. В результате в каждом узле матрицы втекающий слева ток будет делиться пополам, т.е. образуется N- разрядный двоичный преобразователь тока. Значение старшего

Переключатели S0 – S(N-1), управляемые от регистра, при значении разряда, равном 0, подключают отвод звена к линии 2, а при значении 1 – к линии 1. Токи разрядов с состояниями 1 суммируются усилителем, выходное напряжение которого равно произведению суммы токов на величину ROC со знаком минус (см. выше).

Достоинством ЦАПН типа R-2R является необязательность высокой абсолютной точности значений R и 2R, достаточно их одинаковости. Значения токов будут иметь погрешность, относительная величина которой по всем разрядам будет одинаковой и может быть компенсирована ROC.

В качестве регистров ввода данных в ЦАП используются либо параллельные регистры общего назначения, известные из курса цифровой электроники, либо узлы, встроенные в микросхему ЦАП. Информация в регистр заносится из УУ либо параллельным кодом D по выбранному адресу А при подаче команды WR (см. рис. 3.1), либо через последовательный интерфейс. Преимущества первого варианта – быстрая передача данных и простой протокол связи. Однако распределенное исполнение систем управления РТК требует уменьшения числа линий связи и достигается это за счет последовательной передачи данных. Протокол последовательного периферийного интерфейса (SPI) и микросхемы, с ним связанные, сегодня занимают уже большую долю рынка ЦАП, многие из них работают также с двухпроводным I2С-совместимым интерфейсом (эти интерфейсы будут рассмотрены в курсе «Управляющие ЭВМ»). Часто требуется гальваническая развязка линии данных. Наиболее просто это осуществляется именно при после-

42

довательном интерфейсе – с помощью минимального количества оптронных приборов.

Статические параметры ЦАП

При выборе ЦАП необходимо определить разрядность прибора b, исходя из того, что код 2b эквивалентен максимальному значению аналогового выходного сигнала. Наименьшее значение аналогового сигнала соответствует одной единице дискретности и получается при подаче на вход ЦАП логической единицы только первого младшего значащего разряда (МЗР или LSB). При однополярном опорном напряжении по-

ном питании это соответствует полному аналоговому сигналу одного знака – положительного или отрицательного.

Промышленность выпускает ЦАП с разрешением 8- 16 разрядов (от 256 до 65536 единиц дискретности). Однако следует учитывать, что разрядность ЦАП не обеспечивает однозначно требуемой точности потому, что должны быть приняты во внимание также другие источники ошибки. Раз-

рядность определяет только разрешающую способность –

приращение при преобразовании смежных значений, т.е. отличающихся на единицу МЗР. Это приращение является шагом квантования.

Рассмотрим основные погрешности выходного значения ЦАП и их источники .

Одним из параметров при оценке точности прибора является интегральная нелинейность, которая показывает отклонение функции передачи ЦАП от прямой линии (рис. 3.4, а) –

) При рассмотрении статических погрешностей имеются в виду значения установившихся сигналов.

43

наилучшее приближение к фактической функции передачи между конечными точками. Для ЦАП это отклонение измерено в каждом шаге. В дешевых приборах интегральная нелинейность достигает 1 МЗР.

Дифференциальная нелинейность – различие между фактической высотой шага и идеальным значением 1МЗР. Заданная величина для дифференциальной нелинейности (≤ 1МЗР) гарантирует, что ЦАП является монотонным. Это означает, что никакие данные не потеряны, поскольку выходной сигнал всегда изменяется в соответствии с цифровым кодом на входе.

Рис. 3.4, b показывает дифференциальную нелинейность

от идеальной величины представлено на рис. 3.4, с. Для ЦАП ошибка смещения равна выходному напряжению, когда цифровой код на входе нулевой. Эта ошибка остается константной для всех входных значений, и она может быть скомпенсирована при калибровке схемы. Ошибка смещения часто определяется как абсолютная величина в милливольтах, а не МЗР. Приемлемая ошибка смещения – обычно меньше, чем ±10 мВ.

Ошибка от коэффициента усиления определяется как разность между идеальным выходным напряжением и фактическим максимальным значением функции передачи после вычитания ошибки смещения (рис. 3.4, d). Так как ошибка от коэффициента усиления изменяет наклон всей функции передачи, то относительная ошибка будет существовать на каждом шаге преобразования. Эта ошибка может быть выражена в единицах младшего значащего разряда или милливольтах, а также в процентах от максимальной величины.

44

Рис. 3.4. Основные погрешности при работе ЦАП:

(a) – интегральная нелинейность, (b) – дифференциальная нелинейность, (c) – ошибка смещения и (d) – ошибка от коэффициента передачи

45

Характеристики ЦАП в большой степени определяются источником опорного напряжения, который может быть встроен в корпус преобразователя или применяться как внешний элемент (ИМС фирм Analog Device, MAXIM). Если на выходе аналоговый сигнал не усиливается, то максимальный входной код соответствует Uоп. Опорное напряжение также определяет напряжение шага, то есть изменение выхода в ответ на один переход младшего значащего разряда на входе (цена единицы младшего разряда – ЕМР). Один шаг равен

Uоп / 2b, где b – разрядность ЦАП. Чувствительность к нестабильности источника питания представляет собой отноше-

ние изменения Cj к вызвавшему его изменению напряжения питания.

Динамические выходные характеристики ЦАП

Идеальный ЦАП должен мгновенно выдать аналоговый сигнал при подаче на вход цифрового кода. Реально аналоговый сигнал на выходе появляется через какое-то время установления (Туст), которое складывается из времени внутренней задержки (t зад) распространения и времени нарастания выход-

ЦАП установится стабильное значение аналогового напряжения в заданных пределах (статическая ошибка). Значение времени установления увеличивается с возрастанием разности последовательно преобразуемых значений αj. Поэтому оно определяется обычно при максимальном значении разности последовательно преобразуемых сигналов, а также при определенном значении нагрузки ЦАП. На рис. 3.5 интервал времени установления 4 подразделяется на участки 1, 2, 3.

Время задержки – интервал времени, за который сj(t) изменяется на 0,1k (участок 1). Время нарастания – интервал времени, за который сj(t) изменяется от cj-n+0,1k до сj-n+0,9k (участок 2). Время окончательного установления –

46

интервал времени, за который сj(t) переходит от нарастания до установления в заданных пределах d (участок 3). Время переключения – сумма времен задержки и нарастания.

Скорость нарастания – скорость изменения сj(t) на участке 2. Измеряется как отношение приращения е на участке 2 ко времени t, за которое произошло приращение. От скорости нарастания зависит время нарастания.

Рис. 3.5. Переходная характеристика ЦАП для определения его динамических параметров

При преобразовании может возникать и динамическая погрешность (εдин) – разность значений сj(t) и сj, вызванная тем, что следующее переключение произошло в момент t’2, когда еще не закончился процесс установления выходного сигнала.

47

На выходе ЦАП может быть измерена помеха, именуемая цифровым прониканием. Для этого каждое цифровое переключение на входе фиксируют на выходе в виде дополнительных выбросов к статической составляющей. Этот эффект в ЦАП определяется неидеальностью аналоговых ключей, которые коммутируют резистивную матрицу к земле и/или

копорному напряжению.

Кпрочим источникам неточности преобразования «коданалог» относят шумы, помехи и дрейфы.

Шум на выходе ЦАП может появляться по различным причинам, вызываемым физическими процессами, происходящими в полупроводниковых устройствах. Для оценки качества ЦАП с высокой разрешающей способностью принято ис-

пользовать понятие максимальной амплитуды шума в опреде-

ленной полосе частот. Для оценки ЦАП среднего качества при-

нято использовать понятие среднеквадратического значения шума.

Сквозное прохождение – прохождение части сигнала через разомкнутый ключ или группу ключей за счет паразитной емкости. Его характеризуют амплитудой размаха паразитной составляющей, значение которой достигает максимума при максимальной частоте опорного сигнала умножающего ЦАП, когда все ключи разомкнуты.

Выбросы – крутые всплески или провалы в выходном

сигнале, возникающие во время смены значений αj за счет несинхронности размыкания и замыкания аналоговых ключей в разных разрядах ЦАП. Например, если при переходе от значения кода 011...111 к значению 100...000 ключ самого старшего разряда ЦАП откроется позже, чем закроются ключи младших разрядов, то на выходе ЦАП некоторое время будет существовать сигнал, соответствующий значению кода 000...000. Если же этот ключ откроется раньше, то на выходе ЦАП некоторое время будет существовать сигнал, соответствующий значению кода 111...111.

48

Выбросы характерны для быстродействующих ЦАП, где сведены к минимуму емкости, которые могли бы их сгладить. Радикальным способом подавления выбросов является использование устройств выборки и запоминания. Выбросы оценивают по их амплитуде и длительности основания выброса.

Температурная стабильность ЦАП характеризуется

температурными коэффициентами погрешности нелинейно-

сти (ТК ПЛ), погрешности шкалы (ТК ПШ) и погрешности смещения нуля (ТК СН).

Характеристики массовых ЦАП: разрядность – от 10 до 14;

дифференциальная нелинейность – 0,5-1 ЕМР; интегральная нелинейность – от 0,5 до 2 ЕМР; время установления – tУ=1…100 мкс;

время задержки – менее 1 мкс.

Описание лабораторного стенда

Лабораторный стенд предназначен для исследования как ЦАП, так и АЦП. Та его часть, которая содержит ЦАП и необходимые для его работы вспомогательные схемы, включает (рис. 3.6): источник опорного напряжения ИОН, генератор импульсов ГИ, цифроаналоговый преобразователь тока ЦАПТ, операционный усилитель ОУ, переключатели и клеммы.

ИОН выполнен на операционном усилителе DA1.1 К157УД2, транзисторе VT1 КТ315, стабилитроне VD1 КС147, резисторах R1, R2…R4, R7. Выходное напряжение ИОН определяется величиной напряжения стабилизации стабилитрона и соотношением величин сопротивления операционных резисторов

Используя переключатели SA1.2, SA1.3, можно дискретно менять величину опорного напряжения, а изменением величи-

49

ны сопротивления переменного операционного резистора R1 можно изменять величину этого напряжения плавно.

Выход ИОН подключен к контрольной клемме Х6.

2

9

2

7

Рис. 3.6. Принципиальная схема части стенда с ЦАП и формирователем скачкообразных входных воздействий

50