МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Схемотехника цифроаналоговых преобразователей

Методические указания к лабораторной работе по курсу

«Аппаратные средства информационно-измерительных систем»

для студентов магистратуры

направления 230100.68 Информатика и вычислительная техника

программы 230100.68-24 «Информационно-измерительные системы»

Ижевск

2010

УДК 621.3.049.774.3

Рецензент

В.В. Хворенков, д-р техн. наук, проф.

Составители:

В. Н. Сяктерев, канд. техн. наук, доц.;

В. В.Сяктерева, инженер

Рекомендовано к изданию на заседании кафедры «Вычислительная техника» ИжГТУ (протокол № 97 от 04 июня 2010 г.).

Схемотехника цифроаналоговых преобразователей: метод. указ. к лабораторной работе по курсу “Аппаратные средства информационно-измерительных систем” для студентов магистратуры направления 230100.68 Информатика и вычислительная техника программы 230100.68–24 «Информационно-измерительные системы» / сост. В.Н. Сяктерев, В.В. Сяктерева. – Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2010. –с.

Методические указания содержат сведения о принципах построения, параметрах и схемотехнике интегральных цифроаналоговых преобразователей. Приводится описание лабораторного макета, порядок подготовки и выполнения лабораторной работы с использованием стандартного комплекта измерительных приборов и программно-аппаратного комплекса на базе универсального набора приборов NI ELVIS.

Для самостоятельной работы студентов приведены контрольные вопросы. Теоретические сведения могут быть полезны при выполнении курсовых работ и магистерских диссертаций.

УДК 621.3.049.774.3

© Сяктерев В.Н., Сяктерева В.В., составление, 2010

© Ижевский государственный технический университет, 2010

Цель работы: изучение принципов построения и методики измерения основных параметров цифроаналоговых преобразователей.

Задание:в соответствии с порядком выполнения работы определить основные параметры цифроаналоговых преобразователей с использованием комплекса стандартных измерительных приборов и программно-аппаратного комплекса на базе универсального набора приборовNIELVIS.

Принцип работы цап

Цифроаналоговый преобразователь(ЦАП) – функциональный узел, воспроизводящий на выходе аналоговую величину, соответствующую входному цифровому коду.

В ЦАП в качестве входного используется прямой и смещённый цифровые коды, иногда дополнительный. Графики соответствия цифровых кодов Х_вх.и аналогового напряженияU_вых. при прямом (а) и смещённом (б) кодах показаны на рис. 1.

Рис. 1. Графики соответствия цифровых кодов и аналоговых напряжений при Е_оп = 8 В

Наиболее просто определяется соответствие цифровых и аналоговых величин при прямом коде. Для преобразования как положительных, так и отрицательных кодов используют знаковый разряд, который управляет переключением полярности выходного напряжения ЦАП (подключение полярности Е_оп.).

Для исключения коммутирующих элементов из схемы ЦАП используют смещенный код.

Из таблицы 1, соответствующей рис. 1 видно, что прямой код дает возможность получить в два раза большее разрешение по сравнению со смещённым.

Таблица 1.Соответствие кода выходному напряжению ЦАП

Прямой код		Смещенный код
Хвх.	+,– Uвых.	Хвх.	+,– Uвых.
0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111	0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 5,50 6,00 6,50 7,00 7,50	0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111	-8,00 -6,93 -5,87 -4,80 -3,73 -2,67 -1,60 -0,53 0,53 1,60 2,67 3,73 4,80 5,87 6,93 8,00

По принципу работы ЦАП в общем случае можно разделить на преобразователи с промежуточным и прямым преобразованием.

ЦАП с промежуточным преобразованием преобразует вначале код входной величины в некоторую промежуточную величину, представленную, например, длительностью или частотой следования импульсов, которые затем преобразуются в искомый аналоговый сигнал.

ЦАП с прямым преобразованием в зависимости от выбранного алгоритма преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Последовательные преобразователи формируют аналоговый сигнал за несколько тактов, число которых соответствует разрядности преобразуемого цифрового кода. Аналоговый выходной сигнал, эквивалентный входному коду, устанавливается на выходе такого преобразователя только в последнем такте его работы. Такие преобразователи имеют малое быстродействие и применяется, как правило, только при преобразовании кодов, заданных последовательными во времени посылками.

Наиболее широко в микроэлектронном исполнении выпускаются ЦАП параллельного действия, как обладающие высоким быстродействием. Выходной аналоговый сигнал на выходе таких преобразователей формируется практически мгновенно после поступления на вход цифрового эквивалента. Основой для нахождения однозначного соответствия между входным цифровым кодом и выходной аналоговой величиной таких ЦАП может служить следующее выражение:

(1)

где Е_оп – опорное напряжение ЦАП, Х{x₁,x₂, …x_n} – входной цифровой код, x_i – принимает значение 0 или 1.

При определенном Е_опкаждомуx_iна выходе преобразователя соответствует определенное напряжениеU_вых. Выражение (1) можно считать характеристикой преобразования (ХП) параллельных ЦАП.

Последовательно-параллельные преобразователи занимают промежуточное положение между параллельными и последовательными преобразователями.

Основными узлами параллельного микроэлектронного ЦАП, типовая структурная схема которого представлена на рис. 2, являются буферные схемы согласования уровней (А₁), резистивная матрица (А₂), аналоговые ключевые элементы (А₃), источник опорного напряжения (Е_оп) и выходной операционный усилитель (ОУ) (А₄).

Блок А₁необходим для согласования логических уровней различных типов цифровых интегральных схем, с выходов которых поступает входной цифровой кодX_вх. Если строго определен тип цифровых интегральных схем, управляющих аналоговыми ключевыми элементамиА₃, то необходимость в блокеА₁отпадает.

В качестве резистивной матрицы А₂используются наборы двоично-взвешенных резисторов, номиналы которых изменяются по закону:

(2)

где R₀– базовый номинал резистора матрицы,i– номер разряда входного цифрового кода.

Рис. 2. А₁ – буферные схемы согласования уравнений, А₂ – резистивная матрица, А₃ – аналоговые ключевые элементы, А₄ – выходной ОУ

Наиболее распространены резистивные матрицы типа R-2R, так как, в отличие от предыдущих, используется только два номинала резисторовRи 2R, что наиболее выгодно при реализации микроэлектронных ЦАП.

В качестве ключевых элементов А₃возможно использование ключей на биполярных и полевых транзисторах (рис. 3), реализующих следующие основные схемы, выполняющие функции: последовательный ключ напряжения (а), параллельный ключ тока (б), последовательно-параллельный ключ напряжения (в) и последовательно-параллельный ключ тока (г).

Последовательный ключ напряжения замыкает и размыкает цепь, образованную источником сигнала и нагрузкой. Для точной передачи сигнала U_св нагрузку в нем должно выполняться условие:

(3)

где R_С– внутреннее сопротивление источника сигнала,r_вкл– сопротивление ключа в состоянии «включено»,R_н– сопротивление нагрузки.

Рис. 3. Основные схемы включения аналоговых ключей

Параллельный ключ тока в замкнутом состоянии коммутирует ток источника на «землю»; в разомкнутом состоянии ток поступает в нагрузку. Соотношение параметров ключа:

(4)

где Y_c – проводимость входного источника тока.

Последовательно-параллельный ключ напряжения передает сигнал на выход или шунтирует сопротивление нагрузки, а последовательно-параллельный ключ тока коммутирует ток источника на нагрузки R_н1иR_н2. Условия точной передачи сигнала здесь остаются прежними.

Интегральные ЦАП, в зависимости от типа используемых ключевых элементов, и схемы их включения обладают рядом функциональных особенностей. Они могут работать с постоянным или изменяющимся напряжением Е_оп. Преобразователи, работающие с изменяющимся опорным напряжением, называют умножающими. В таких ЦАП применяются токовые ключи на основе МОП – транзисторов в режиме малых напряжений тока, что дает им возможность работать с опорным напряжением произвольных знака и формы. Выходной сигнал умножающих ЦАП может располагаться в любом из четырех квадратов в зависимости от знаков, принимаемых сомножителями в уравнении:

(5)

где F(t) – функция измененияЕ_оп(В простейшем случаеF(t) является единичной функцией).

Выходной сигнал ЦАП формируется ОУ А₄. Если система преобразования токовая, как это показано на рис. 2, (входной сигнал – код преобразуется в выходной сигнал – уровень тока), то ОУ включается по схеме усилителя-трансформатора сопротивления. В этом случае на выходе ОУ генерируется напряжение, пропорциональное входному коду:

(6)

где I_– выходной ток резистивной матрицы;

R_ос– сопротивление обратной связи ОУ.

Для систем преобразования код – выходное напряжение выходной сигнал имеет вид потенциала, поэтому ОУ включается по схеме неинвертирующего усилителя.

Современные интегральные ЦАП могут быть функционально завершенными, то есть способными работать автономно, и функционально не завершенными, требующими для работы внешних дополнительных устройств. Как правило, это микросхемы устройств выборки – хранения, источников опорного напряжения, буферных регистров сопряжения, внешних ОУ и др.