Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие
.pdf
81
В настоящее время выпускаются ИС четырехквадрантных аналоговых
перемножителей, имеющие в своем составе кроме перемножающего элемента
решающий ОУ. Такие схемы получили название аналоговых процессоров, т.к.
позволяют выполнять математические операции над мгновенными значениями
входных сигналов и являются достаточно широкополосными.
82
8. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЦАП40
ЦАП — устройства, предназначенные для преобразования входного кода,
сформированного совокупностью входных логических сигналов, в эквивалентное значение выходного напряжения, тока или сопротивления в соответствии с
законом преобразования.
Существует несколько схем, каждая из которых служит базой для построения многих разновидностей ЦАП соответствующего класса (рис. 8.1–8.3). Для
формирования требуемых уровней аналоговые ключи, управляемые цифровыми сигналами j, либо подключают к выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов bi (рис. 8.1, 8.2), либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления (рис. 8.3).
Работа таких ЦАП описывается уравнением
с
j
= jb, j = 0,1,2…,
где сj — выходной аналоговый сигнал;
j — коэффициент передачи ЦАП по току или напряжению;
b — опорный аналоговый сигнал;
j — порядковый номер цифрового входного сигнала по мере возрастания
его значений.
Отсюда следует, что собственно преобразованию подвергается опорный аналоговый сигнал, а цифровой сигнал является модулирующим. При изменении
значения j на единицу младшего разряда (ЕМР) значение сj увеличивается или
уменьшается на значение h, называемое шагом квантования.
По принципу формирования выходного сигнала ЦАП подразделяются на:
ЦАП с суммированием токов.
R
Н
b1b2b
n
…
c
j
j
Рис. 8.1. ЦАП с суммированием токов, где сj — выходной аналоговый сигнал;
b — опорный аналоговый сигнал; j — управляющие цифровые сигналы
40
URL: https://tech-school.info/digital-to-analog-converters-dacs/ (дата обращения: 12.08.2025); URL:
https://myrepititor.ru/sau/dac (дата обращения: 12.08.2025).
83
ЦАП с суммированием напряжений. Существуют различные способы
построения ЦАП с суммированием напряжений на основе рис. 8.2. Следует отметить, что у большинства из них выходное сопротивление изменяется в широких пределах, а ключи и источники опорных сигналов не связаны с нулевой
шиной. В последнее время такие ЦАП появились в микроэлектронном исполнении. К последовательной резистивной схеме с общим сопротивлением 256R
приложен сигнал источника опорного напряжения (ИОН). В процессе преобразования общее сопротивление цепи не меняется, поэтому на каждом из резисторов создаётся стабильное падение напряжения. При помощи системы ключей в соответствии с кодом j определённая сумма этих напряжений поступает
на выход.
b1b2b
n
…
R
Н
j
c
j
Рис. 8.2. ЦАП с суммированием напряжений
Не смотря на некоторую громоздкость рассмотренной схемы, при современном уровне микроэлектронной технологии на её основе можно создавать
недорогие преобразователи среднего качества. Достоинство таких схем состоит
в гарантированной монотонности характеристики преобразования.
ЦАП с делением напряжений. ЦАП с последовательными делителями
напряжения содержат два последовательно соединённых управляемых резистора, образующих плечи делителя напряжения R
j
и R
j
'. Сопротивления этих рези-
сторов определяются следующими соотношениями:
Rj=
=ni 1
ijRi
, Rj'=
=ni 1
ij
Ri', Ri=R i',
где
ij
= 0 или 1, если i-ый ключ соответственно разомкнут или замкнут. Коэф-
фициент передачи ЦАП равен
j
= Rj / (Rj + Rj').
84
c
j
R
Н
R
j
’
R
j
b
j
Рис. 8.3. ЦАП с делением напряжений
Поскольку сопротивления управляются инверсным цифровым сигналом,
сумма Rj+Rj' остаётся постоянной во всём диапазоне преобразования. Выходное
сопротивление равно Rj. Следовательно ЦАП с последовательными делителями
напряжения характеризуются постоянным входным и изменяющимся выходным сопротивлениями.
По характеру опорного сигнала ЦАП подразделяются на:
- ЦАП с фиксированным опорным сигналом;
- ЦАП перемножающего типа (с изменяющимся опорным сигналом).
Основу ЦАП составляют наборы эталонных базисных элементов и совокупность электронных ключей, соединяющих базисные элементы в соответствии с заданным законом преобразования. Наиболее часто в качестве базисных
элементов используются:
• источники двоично-взвешенных токов;
• наборы двоично-взвешенных резисторов;
• резистивные матрицы.
В качестве электронных ключей могут использоваться биполярные или
КМОП транзисторы в ключевом режиме.
8.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦАП41
К основным характеристикам ЦАП относятся:
1) диапазон изменения выходной величины
H
min
H
max
;
41
URL: https://baumanka.pashinin.com/IU1/sem10/Управляющие%20ЭВМ%20и%20комплексы%20 (Су-
ханов)/_3_2011.pdf (дата обращения: 12.08.2025); URL: https://myrepititor.ru/sau/dac/osnovnye-harakteristiki-cifroanalogovyh-preobrazovateley-cap (дата обращения: 12.08.2025).
85
2) дискрета цифро-аналогового преобразования
h =
N
minmax
2
HH −
, (8.1)
где N — разрядность входного цифрового кода;
3) динамический диапазон ЦАП
Д = 20 lg
h
HH
minmax
−
; (8.2)
4) ошибка преобразования, которая определяется как относительная вели-
чина максимального отклонения передаточной характеристики ЦАП от ее желаемого положения по отношению к диапазону шкалы преобразования (%);
5) время преобразования — интервал времени, в течение которого после
подачи входного кода на выходе устанавливается сигнал с заданным процентным отклонением от истинного (обычно принимают отклонение 5 %).
8.3. ЦАП С КОММУТАЦИЕЙ ДВОИЧНО-ВЗВЕШЕННЫХ РЕЗИСТОРОВ42
VT2
VT1
X
Y
+E
C
1
1
R
X
1
1
1
2R
X
2
1
1
4R
X
3
U
ВЫХ
Рис. 8.4. ЦАП с коммутацией двоично-взвешенных резисторов
U
ВЫХ
= EC
12
n
N
−
, n = 0 2N – 1. (8.3)
Для реализации приведенной выше схемы необходимо, чтобы выполня-
лось соотношение: R >> R
КАНАЛА
. Для нормальной работы такой схемы ЦАП
необходим набор двоично взвешенных резисторов с одинаковой абсолютной, а
не относительной точностью. Поэтому такие схемы получили распространение
42
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13489.html (дата обращения: 12.08.2025).
86
в малоразрядных быстродействующих преобразователях. Дополнительным недостатком является невозможность оперативного управления напряжением образцового источника.
Таблица 8.1
№
X1 X2 X3 U
ВЫХ
1 0 0 0 0
2 0 0
1
1/7 E
C
3 0 1
0
2/7 E
С
4 0 1
1
3/7 E
C
5 1 0
0
4/7 E
C
6 1 0
1
5/7 E
C
7 1 1
0
6/7 E
C
8 1 1 1 E
C
Например, для комбинации 001 имеем эквивалентную схему
R | | R =
3
2
3
2
2
R
R
R
=
; U
вых
=
74
2
3
2
4
3
2
n
nп
U
RU
RR
R
U ==
+
Рис. 8.4. Физическая реализация комбинация 001 в ЦАП
с коммутацией двоично-взвешенных резисторов
8.4. ЦАП С ГЕНЕРАТОРОМ ДВОИЧНО-ВЗВЕШЕННЫХ ТОКОВ
43
UR = U0 – (–E0) = U0 + E0 (8.4)
UН = RН
=
n
0k
k
k
R
a2I
, (8.5)
где
ak = 0 или 1.
43
URL: https://myrepititor.ru/sau/dac/cap-s-generatorom-dvoichno-vzveshennyh-tokov (дата обращения:
12.08.2025).
87
U
0
1,25В
DA1
RRRRRRR
RRRRR
RRR
X0X1X
2
–E
0
R
Н
+E
K
U
R
Рис. 8.5. Принципиальная схема ЦАП с генератором двоично-взвешенных токов
Высокая стабильность тока источников, собранных на выходе операционного усилителя, обусловлена тем, что все они работают с одинаковым номиналом резисторов R. Следовательно, транзисторы токовых стабилизаторов
имеют одинаковые условия работы. Формирование двоично взвешенных токов
производится объединением коллекторных выводов образцовых источников в
группы с количеством, соответствующим степеням «2». Коммутация токов
осуществляется дополнительными транзисторами, входными сигналами для которых являются сигналы цифрового кода с выхода элементов серии ТТЛ. Условия открывания и закрывания дополнительных ключей поддерживаются выбором номинала образцового источника U0 на уровне порогового напряжения
элементов серии ТТЛ. Из-за разного количества ключей в разрядных группах
токи, потребляемые разрядами по цепям управления, увеличиваются по мере
увеличения старшинства разряда.
Возможно несколько способов получения относительных весов источников тока, соответствующих разным разрядам. Ещё один из них, показанный на
рис. 8.7, заключается в использовании двоично-взвешенных резисторов, позволяющих получить двоично-взвешенные токи коллекторов транзисторов Т7-Т10.
Эти токи коммутируются либо на выход, либо на шину питания через входную
1-Т4
. Пятый источник тока Т6 служит для со-
здания соответствующего уровня опорного напряжения через операционный
усилитель ДА1, резистор Rs и источник опорного напряжения Von. Операцион-
88
ный усилитель управляет базовой шиной транзисторов, обеспечивая необходимый баланс на входе операционного усилителя при (полагая Vсм для ДА1).
( )
.125мкА
R
VV
I
s
смon
T
=
+
=
Ток транзистора Т7 соответствует этой величине, поскольку напряжения,
значения резисторов и т.п. в цепях эмиттеров равны. Площадь эмиттера транзистора Т8 в два раза больше, чем у Т7 или Т6, в то время как резистор в цепи
эмиттера в два раза меньше. Можно рассматривать транзистор Т8 и его резистор состоящими из двух половинок, через каждую из которых течёт ток, такой
же, как и через транзистор Т7 или Т6 , и, следовательно, суммарный ток в два
раза больше. Сумма не изменится при соединении этих половинок вновь, в связи с чем коллекторный ток транзистора Т8 будет точно вдвое превышать ток,
определяемый равенством (1), т.е.:
( )
s
смon
TTT
R
VV
III
+
=== 222
768
.
Аналогично площадь эмиттера Т9 в четыре раза больше площади эмиттера транзистора Т7, а резистор в цепи эмиттера в четыре раза меньше; тем самым
создаётся в четыре раза больший ток, и т.д. Эти расчёты сделаны, конечно, в
предположении, что все цифровые входы находятся в состоянии низкого логического уровня, вследствие чего транзисторы Т1-Т4 закрыты. Если какойнибудь цифровой вход имеет высокий логический уровень, то соответствующий ему транзистор замыкает ток элементов источников через транзистор Т5 на
источник питания V+. Таким образом, выходной ток I
вых
определяется суммой
отдельных токов в соответствии с выражением
78910
4321 TTTTвых
IIIII
+++=
,
где n характеризует состояние цифрового входа. Это выражение в точности
совпадает с выражением (8.5), если пренебречь входным напряжением смещения усилителя. Заметим, что максимальный выходной ток получается при низком логическом уровне на всех цифровых входах и равен (24 – 1)IТ6.
89
Рис. 8.7. Реализация одного из способов получения относительных весов
источников тока, соответствующих разным разрядам соответствующих
разным разрядам
8.5. ЦАП НА ОСНОВЕ СТРУКТУРЫ R-2R44
Такие ЦАП относятся к ЦАП перемножающего типа. Для их работы источник U0 может быть выбран как фиксированного номинала, так и может использоваться в качестве дополнительного входа преобразователя для осуществления операции двухквадрантного умножения мгновенного значения напряжения U0 на вес цифрового двоичного кода.
44
URL: https://tech-school.info/digital-to-analog-converters-dacs/ (дата обращения: 12.08.2025).
90
I =
2R
U
0
, I1 =
4R
U
0
и т. д. (8.6)
I
=
=
−
−
n
0k
kn
n
kn
0
a
2
2
4R
U
=
n
0
24R
U
(an 2n + a
n-1
2
n-1
+ … + a0 20). (8.7)
В качестве ключевых схем в интегральных ЦАП такого типа используются комплиментарные МДП-структуры с парафазным управлением.
U
ВЫХ
R
R
2R
0
1
R
2R
0
1
…
R
R
2R
0
12R0
1
2R
DA
R
ОС
U
0
I
I
1
Рис. 8.8. Схема преобразователя выпускается интегрально (572ПА1)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]