ЦАП

УДК

ЦИФРО-АНАЛАГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

DIGITAL-TO-ANALOG CONVERTERS

Басик Д. В. Михалап В. А.

Научный руководитель – Т. Е. Жуковская, заведующий кафедрой

«Электротехника и электроника»

Белорусский национальный технический университет,

г. Минск, Республика Беларусь

D. Basik V. Mikhalap

Supervisor – T. Zhukovskaya, head of the department of «Electrical engineering and electronics»

Belarusian national technical university, Minsk, Belarus

Цифро-аналоговый преобразователь это устройство, которое преобразует цифровой сигнал, представленный в виде последовательности битов, в аналоговый сигнал, который может быть использован для управления аналоговыми устройствами. В данной статье рассматриваются различные типы ЦАП, их принципы работы, достоинства и недостатки.

A D/A converter is a device that converts a digital signal represented as a sequence of bits into an analog signal that can be used to control analog devices. This article discusses various types of DACs, their principles of operation, advantages and disadvantages.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) ­– это электронное устройство, которое преобразует входной цифровой сигнал в аналоговый. Он используется для воспроизведения аудио- и видеосигналов, а также для управления аналоговыми устройствами, например, для управления моторами, электронными затворами, лампами и т.д.

ЦАП применяется в различных областях техники, включая аудио- и видеотехнику, медицинскую технику, автомобильную индустрию, системы управления, телекоммуникации и т.д. В аудиотехнике ЦАП используется для воспроизведения звука с цифровых носителей, таких как компакт-диски, файлы MP3 и другие цифровые форматы. Видеотехника использует ЦАП для преобразования цифровых видеосигналов в формат, понятный для телевизора или монитора.

ЦАП также применяются для связи цифровых управляющих систем с устройствами, которые управляются уровнем аналогового сигнала, используются для управления моторами и другими аналоговыми устройствами в системах автоматизации, где цифровые сигналы управляют аналоговыми устройствами. В телекоммуникациях ЦАП используется для преобразования цифровых сигналов в аналоговые, например, для передачи голосовых сообщений по телефонной линии. ЦАП. Также, ЦАП является составной частью во многих структурах аналого-цифровых устройств и преобразователей.

Принцип работы ЦАП заключается в преобразовании цифрового сигнала в аналоговый. Для этого ЦАП использует внутреннюю таблицу значений, которая называется таблицей воспроизведения. Эта таблица содержит набор значений аналогового сигнала, которые соответствуют каждому из возможных цифровых кодов.

Когда цифровой сигнал поступает на вход ЦАП, он разбивается на биты, которые представляют цифровой код. Этот код затем используется для выбора соответствующего значения из таблицы воспроизведения. Выбранное значение передается на выход ЦАП в виде аналогового сигнала.

В зависимости от типа ЦАП, таблица воспроизведения может быть создана различными способами. Некоторые ЦАП используют линейную интерполяцию между значениями, чтобы получить более точный аналоговый сигнал. Другие ЦАП могут использовать более сложные алгоритмы обработки сигналов, такие как разностное восстановление.

Общий принцип работы ЦАП заключается в том, что он преобразует цифровой сигнал в аналоговый, используя таблицу воспроизведения, которая определяет соответствующее значение аналогового сигнала для каждого возможного цифрового кода.

Существует несколько способов реализации ЦАП. Некоторые из наиболее распространенных способов включают в себя:

1. Резистивный ЦАП: данный тип использует сеть резисторов для создания аналогового сигнала. Каждый резистор имеет определенное значение, которое соответствует определенному биту цифрового сигнала. При сборке резисторы соединяются в сеть, которая создает аналоговый сигнал.

2. Мультиплексорный ЦАП: данный тип использует мультиплексор для выбора значения из таблицы воспроизведения. Мультиплексор выбирает одну из нескольких строк таблицы воспроизведения, а затем выводит соответствующее значение на выход.

3. Параллельный ЦАП: данный тип имеет отдельный резистор для каждого бита цифрового сигнала. Каждый резистор имеет определенное значение, которое соответствует определенному биту цифрового сигнала. Выбор заданного значения происходит путем подачи определенного напряжения на соответствующий резистор.

4. Последовательный ЦАП: данный тип использует последовательность переключателей, каждый из которых соответствует определенному биту цифрового сигнала. Каждый переключатель имеет два состояния: "включен" или "выключен". Последовательность переключателей определяет соответствующее значение аналогового сигнала.

В зависимости от требуемой точности, скорости и стоимости, каждый из этих способов может быть более или менее подходящим для конкретного применения.

Основными параметрами ЦАП являются разрядность, скорость, линейность, точность и динамический диапазон. Разрядность определяет количество битов, используемых для представления аналогового сигнала. Чем больше битов, тем выше разрешение и точность ЦАП. Скорость ЦАП определяет, как быстро он может преобразовывать цифровой сигнал в аналоговый.

Линейность ЦАП означает, насколько точно он может представлять аналоговый сигнал. Идеальный ЦАП должен иметь линейность 100%, что означает, что каждый бит цифрового сигнала будет соответствовать одному и тому же изменению напряжения на выходе. В реальности могут возникать нелинейности, которые могут приводить к искажениям и шумам на выходе.

Точность ЦАП означает, насколько точно он может представлять заданный аналоговый сигнал. Точность обычно измеряется в процентах от максимального значения сигнала и может быть выражена как абсолютная точность или относительная точность.

Динамический диапазон ЦАП означает, насколько широкий диапазон значений аналогового сигнала он может представлять. Динамический диапазон может быть выражен как отношение максимального и минимального значения сигнала.

Погрешности ЦАП могут возникать из-за нелинейности, шума, дрейфа и других факторов. Некоторые из наиболее распространенных типов погрешностей включают в себя монотонность, интегральную нелинейность, дифференциальную нелинейность, шум и дрейф. Все эти погрешности могут влиять на точность и линейность ЦАП и могут быть уменьшены с помощью правильного выбора компонентов и технологий изготовления, а также с помощью соответствующей калибровки и компенсации.

Резистивный ЦАП – это электронный компонент, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал. Резистивный ЦАП включает в себя массив резисторов, подключенных в цепь, и цифровой регистр, который управляет током, протекающим через эти резисторы.

Принцип работы резистивного ЦАП заключается в том, что цифровое число подается на вход цифрового регистра, который управляет выходными резисторами. Каждый резистор пропускает определенный ток, который соответствует цифровому значению, поданным на вход цифрового регистра. Суммирование этих токов на выходе позволяет получить аналоговый сигнал.

Схема резистивного ЦАП состоит из массива резисторов, подключенных параллельно, и цифрового регистра. Резисторы должны быть сопротивлением одинаковым, чтобы суммирование токов было корректным. Цифровой регистр может быть реализован с помощью транзисторов, которые управляют током в каждом резисторе.

Устройство резистивного ЦАП может быть реализовано на одном микросхемном чипе. Такие чипы могут иметь различное количество битов (8, 10, 12, 16 и т.д.), что позволяет получать более высокую точность преобразования. Резистивные ЦАПы широко используются в аудио и видео оборудовании, в телекоммуникациях и в других сферах, где требуется преобразование цифрового сигнала в аналоговый.

Рисунок 1 – ЦАП на основе резистивной матрицы R-2R

В схеме использованы так называемые перекидные ключи S1…S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи S1…S4 подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Пусть каждый из ключей S1…S4 подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»…«d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжения Uа, Ub, Uc и Ud в указанных точках определяются следующим образом:

Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «a»…«d» не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

Из вышеизложенного следует, что:

где Si, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Преимущества резистивного ЦАП: высокая точность преобразования; хорошие характеристики стабильности и долговечности; не требуется вывод последовательно на каждый резистор, что позволяет уменьшить количество элементов и рабочую поверхность.

Недостатки резистивного ЦАП: ограниченное количество точек данных, которые могут быть представлены на выходе; требуется большое количество точно согласованных резисторов, что может стать проблемой в процессе сборки; необходимость точной подстройки и калибровки после сборки.

Мультиплексорный ЦАП (Цифро-аналоговый преобразователь) - это тип ЦАП, который использует мультиплексор (MUX) для выбора одного из нескольких входных сигналов для преобразования в аналоговый выходной сигнал.

Мультиплексорный ЦАП используется в широком диапазоне приложений, включая коммуникационное оборудование, промышленную автоматизацию, медицинское оборудование и измерительные приборы.

Принцип работы мультиплексорного ЦАП заключается в том, что несколько входных сигналов подаются на мультиплексор, который выбирает один из сигналов для преобразования в аналоговый выходной сигнал. Цифровое значение выбирается и подается на мультиплексор, который выбирает соответствующий входной сигнал и преобразует его в аналоговый выходной сигнал.

Схема мультиплексорного ЦАП состоит из мультиплексора, регистра управления и ЦАП. Мультиплексор имеет несколько входов, которые могут быть выбраны для преобразования в аналоговый выходной сигнал. Регистр управления управляет мультиплексором и выбирает соответствующий входной сигнал. ЦАП преобразует выбранный входной сигнал в аналоговый выходной сигнал.

Устройство мультиплексорного ЦАП может быть реализовано на одном микросхемном чипе. Такие чипы могут иметь различное количество битов (8, 10, 12, 16 и т.д.), что позволяет получать более высокую точность преобразования. Мультиплексорный ЦАП может обеспечивать более высокую скорость преобразования, чем резистивный ЦАП, благодаря использованию мультиплексора для выбора входного сигнала.

Преимущества MUX DAC: высокая скорость работы в сравнении с другими типами ЦАП; наименьшее количество элементов, что делает его более компактным и экономичным; высокая точность преобразования для каждого входного канала.

Недостатки MUX DAC: ограниченное количество входных каналов, которые могут быть выбраны; ограничения на разрешение и динамический диапазон; сложность настройки и программирования.

Параллельный ЦАП (Parallel DAC) – это цифро-аналоговый преобразователь, который использует несколько идентичных ЦАП, работающих параллельно, для получения аналогового сигнала.

Принцип работы параллельного ЦАП основан на комбинации аналоговых сигналов, генерируемых отдельными ЦАП. Каждый ЦАП соответствует определенному биту в цифровом сигнале и генерирует свой отдельный аналоговый сигнал. Все аналоговые сигналы объединяются и доставляются на выходную ступень. Схема устройства состоит из массива идентических ЦАП, каждый из которых получает свой сигнал управления и выдает свой аналоговый сигнал. Эти аналоговые сигналы затем суммируются и формируют окончательный аналоговый сигнал на выходе.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2³ = 8, у третьего разряда – 2² = 4, у второго – 2¹ = 2 и у младшего (МЗР) – 2⁰ = 1. Если вес МЗР IМЗР=1 мА, то IСЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя 15 мА и соответствует коду 11112. Понятно, что коду 10012, например, будет соответствовать Iвых=9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Простейший параллельный ЦАП

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде – 0,05% и т.д.

Преимущества параллельного ЦАП: более высокое разрешение в сравнении с другими типами ЦАП; высокая скорость преобразования сигналов; меньшее количество шумов и искажений.

Недостатки параллельного ЦАП: высокие затраты на производство из-за необходимости использования большого числа ЦАП; больший размер и вес из-за использования нескольких ЦАП; меньшая точность и стабильность в сравнении с другими типами ЦАП при распределении максимального разрешения на несколько ЦАП.

Последовательный ЦАП (Цифро-аналоговый преобразователь) - это электронный компонент, который преобразует цифровой сигнал в аналоговый сигнал. Он работает по принципу последовательной передачи данных, где каждый бит цифрового сигнала последовательно преобразуется в соответствующий аналоговый сигнал.

Принцип работы последовательного ЦАП заключается в том, что цифровой сигнал подается на вход цифрового регистра, который последовательно преобразует каждый бит в аналоговый сигнал. Каждый бит управляет выходным коммутатором, который подключает или отключает резистивный делитель, формирующий соответствующий аналоговый сигнал. На выходе ЦАПа получается непрерывный аналоговый сигнал, который соответствует входному цифровому сигналу.

Схема последовательного ЦАПа включает в себя цифровой регистр, резистивный делитель и коммутаторы. Резистивный делитель состоит из массива резисторов, которые проходят ток в зависимости от положения коммутаторов. Цифровой регистр управляет коммутаторами, открывая и закрывая их, чтобы формировать соответствующий аналоговый сигнал.

Устройство последовательного ЦАПа может быть реализовано на одном микросхемном чипе. Такие чипы могут иметь различное количество битов (8, 10, 12, 16 и т.д.), что позволяет получать более высокую точность преобразования. Последовательные ЦАПы широко используются в аудио и видео оборудовании, в телекоммуникациях и в других сферах, где требуется преобразование цифрового сигнала в аналоговый.

Преимущества последовательного ЦАПа: высокая точность преобразования; небольшое количество компонентов; простота в реализации; высокая скорость работы.

Недостатки последовательного ЦАПа: требуется высокая точность микросхем и резисторов; высокая чувствительность к шуму и помехам; требуется буферизация выходного сигнала, чтобы уменьшить влияние нагрузки на выходе ЦАПа.

Вывод: На сегодняшний день самым популярным способом реализации ЦАП является мультиплексорный способ. Он широко используется во многих современных ЦАПах и позволяет достичь высокой точности и разрешения при относительно невысокой стоимости и сложности реализации. Мультиплексорный ЦАП работает путем выбора нужного резистора из массива резисторов и подключения его к выходу, таким образом, формируя нужный уровень выходного сигнала. Эта технология позволяет достичь высокой точности и разрешения, а также обеспечивает хорошую линейность и низкий уровень шума. Параллельный и последовательный способы также широко используются, но они требуют большего количества резисторов и более сложных схем, что делает их менее популярными. Резистивный способ, хотя и прост в реализации, обычно не обеспечивает достаточно высокой точности и разрешения для современных требований.