2. Параллельные ЦАП с суммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного кода, причем должны суммироваться только токи тех разрядов, значения которых равны 1.

Например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого старшего значащего разря-

да весовой коэффициент будет равен 23 =8, у третьего разряда 22 = 4 , у

второго – 21 = 2 и у младшего – 20 =1. Ток младшего разряда должен быть равен 1мА, а старшего – 8мА, тогда максимальный выходной ток преобразователя Iout _ max =15мА и соответствует коду 11112 . Коду

10012 будет соответствовать Iout =9мА. Таким образом, необходимо

построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая данный принцип приведена на рис.10.2.

Iвых

Рис.10.2. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов

Весовые токи формируются с помощью резисторов в полном соответствии с законом Ома. Сопротивления выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного кода равен единице. Выходной ток определяется соотношением

где k – разрядность входного кода;

di – принимает значения 0 или 1 в зависимости от состояния i – разряда

входного кода;

D – суммарный вес входного кода.

110

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования предъявляются к резисторам старших разрядов. Т.к. разброс весовых токов не должен превышать доли тока младшего (нулевого разряда), то погрешность сопротивления в i -ом разряде должна удовлетворять ус-

ловию – RR < 2−k .

Из этого условия следует, что относительная погрешность сопротивления весовых резисторов должна снижаться с увеличением разрядности ЦАП. Например, в четвертом разряде 4 разрядного ЦАП она не должна превышать 6%, а в 10-м разряде 10 разрядного – 0,1%. Это требование делает фактически нереализуемым по указанному принципу ЦАП с разрядностью выше 12, особенно для высокоскоростных схем.

Рассмотренная схема обладает рядом недостатков:

-значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых интегральных микросхемах;

-сопротивления резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутых ключей, а это может привести к дополнительным погрешностям преобразования;

-при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это может повлиять на величину выходного напряжения ИОН;

-в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме представленной на рис.10.3. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Рис. 10.3. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного сопротивления

111

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы R-2R (рис.10.4).

Рис.10.4. Ступень резистивной матрицы постоянного сопротивления

Благодаря малому или близкому к нулю входному сопротивлению приемников токов Iвых и Iвых' при любом положении переключателей Zk нижние выводы резисторов находятся под потенциалом общей ши-

ны схемы. Поэтому источник опорного напряжения всегда нагружен на постоянное входное сопротивление Rin = R . Это гарантирует неизмен-

ность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП. Выходные токи схемы определяются соотношениями

а входной ток определяется по выражению

3. Последовательные ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Очень часто ЦАП входит в составе микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифроаналоговое преобразование (Ц/А-преобразование) может быть осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) (рис. 10.5).

Наиболее просто организуется Ц/А – преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-

112

импульсного преобразования (например, микроконтроллер AT90S8515 фирмы Atmel). Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования (8, 9 и 10 разрядов для указанной микросхемы) контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, коэффициент заполнения которых

γ=tиТ определяется соотношением

γ= D ,

2n

где D – преобразуемый код;

n – разрядность преобразования.

а) структурная схема; б) диаграммы напряжений.

Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения.

В результате получается выходное напряжение преобразователя

4.Интегральное исполнение ЦАП

Вобщем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока, имеющего несколько цифровых входов и один аналоговых вход, а также аналоговый выход (рис.10.6).

На цифровые входы ЦАП подается n – разрядный код N, на аналоговый вход – опорное напряжение Uоп (другое распространенное обо-

значение UREF ). Выходным сигналом является напряжение Uвых или ток Iвых.

113

Опорное Uсс напряжение UREF GND

Рис.10.6. Интегральная микросхема ЦАП

Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его в широких пределах и изменять его полярность.

ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим, так как его можно использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение от –17В до +17В.

В случае, когда ЦАП имеет токовый выход, его выходной ток обычно преобразуется в выходное напряжение с помощью внешнего операционного усилителя (ОУ) и встроенного в ЦАП резистора Rос ,

один из выводов которого выведен на внешний вывод микросхемы

(рис.10.7).

DA1

Рис.10.7. Включение ЦАП при работе в режиме с выходом по напряжению.

Микросхема ЦАП К572ПА1, которая изучается в данной лабораторной работе, предназначена для преобразования 10 – разрядного прямого параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе, который пропорционален значениям кода и (или) опорного напряжения.

В состав ЦАП входят прецизионная поликремниевая резисторная матрица типа R-2R, токовые двухпозиционные ключи, выполненные на КМОП-транзисторах и усилители-инверторы для управления токовыми ключами.

114

Для работы с выходом по напряжению к ЦАП подключаются внешние источник опорного напряжения и ОУ с цепью отрицательной обратной связи, работающей в режиме суммирования токов.

Микросхема имеет два аналоговых выхода (рис.10.8). Токи ветвей резистивной матрицы поступают через ключевые КМОП-транзисторы на аналоговые выходы 1 и 2 в зависимости от значений кода на входах усилителей-инверторов.

Рис.10.8. Условное графическое изображение интегральной схемы ЦАП К572ПА1

При появлении на одном из входов ЦАП напряжения высокого уровня ток соответствующей ветви резистивной матрицы поступает на выход 1, а при подаче напряжения низкого уровня – на выход 2. Значения токов I1 и I2 на выходах 1 и 2 определяются из выражений

Сопротивление Rос определяет значение коэффициента преобра-

зования и напряжения в конечной точке шкалы. Напряжение на выходе ОУ в зависимости от значения двоичного кода на его входе определяется выражением

115

При работе с ЦАП рекомендуется следующая последовательность подачи электрических режимов: потенциал земли, напряжение питания, опорное напряжение, напряжение на цифровые входы. Порядок снятия напряжения – обратный. Если уровни цифровых сигналов не превышают 5,5В, то подача режимов может быть произвольной. Опорное напряжение может подаваться любой полярности и формы.

Преобразователь К572ПА1 допускает работу при напряжении питания в диапазоне от 5 до 17В и изменении опорного напряжения в пределах ±17В. При работе ЦАП с ТТЛ схемами требуются дополнительные резисторы согласования уровней. Непосредственное согласование ЦАП с ТТЛ возможно при питании от источника 5В±10%. Однако электрические параметры преобразователя в этом случае ухудшаются.

Основная схема включения ИС ЦАП К572ПА1 (рис.10.9) позволяет реализовать двухквадрантное умножение и обеспечивает функцию униполярного преобразования двоичного кода в напряжение на выходе внешнего ОУ DА2. Выходное напряжение формируется в пределах от 0 до UREF . Связь между напряжением на выходе 1 кодом и двоичным ко-

дом на цифровых входах ЦАП однозначна:

Рис.10.9. Схема включения ЦАП в режиме двухквадрантного умножения

116

выходного напряжения ЦАП с элемента DA1.2 (выход Uout1 ) при раз-

личных знаках опорного напряжения (±15В).

5.8. При UREF =15В и при условии полного цифрового кода на входах ЦАП снимите осциллограммы с элемента DA1.1 (выходе Uout2 ).

Объясните полученные осциллограммы.

5.9. При помощи кнопок SB1, SB2 и SB3 проверить влияние разрядности числа на точность формирования выходного напряжения. Установить к чему приводит потеря на информационных входах ЦАП старших и младших значащих разрядов. Зарисовать полученные осциллограммы.

6. Порядок выполнения работы с программой

Electronics Workbench

6.1.Ознакомьтесь с элементной базой и инструментальными средствами программы Electronics Workbench.

6.2.Изучите методические указания к лабораторной работе.

6.3.Произведите исследование цифро-аналогового преобразователя. Для этого необходимо вызвать библиотеку Mixed IСs. При нажатой левой клавиши мыши перенести преобразователь с выходом по напряжению на рабочее поле.

Вызовите из библиотеки элементов Sources источник постоянного напряжения. Дважды щелкнув по нему левой кнопкой мыши, установите опорное напряжение ±17V. Заземлите источник питания.

Соберите схему для проведения испытаний, подав на входы от 0 до 7 исследуемого ЦАП соответствующие двоичные сигналы с помощью генератора слов.

Установив режим работы STEP или CYCLE, проверьте работу схемы, нажатием кнопок STEP или тумблера питания, соответственно.

Подключите выход ЦАП к осциллографу и заполните табл.10.1.

Таблица 10.1.

118

Рассчитать аналитически выходное напряжение по выражению (10.8) и сравнить с экспериментальными значениями.

Данные экспериментов выведите на лист бумаги с помощью принтера. При вызове команды Print в открывшемся окне появляется список атрибутов схемы и приборов, которые могут быть распечатаны. Выберете нужные Вам, так чтобы рядом появился символ 9, а затем выполните команду Print.

7. Содержание отчета

7.1.Цель работы.

7.2.Принципиальные схемы лабораторной установки в соответствии со стандартами.

7.3.Таблицы, диаграммы напряжений, комментарии и пояснения

кним.

7.4.Выводы о проделанной работе и полученных результатах.

8.Задания для самопроверки

8.1.По каким признакам можно классифицировать ЦАП?

8.2.Назовите основные характеристики ЦАП.

8.3.Назовите недостатки схемы с суммированием весовых токов.

8.4.Какие ЦАП называются умножающими?

8.5.Как связаны между собой разрядность и точность ЦАП?

8.6.На что влияет величина опорного напряжения UREF ?

8.7.Что необходимо сделать, чтобы преобразовать выходной ток ЦАП в выходное напряжение?

8.Список литературы

8.1.Бойко В.И. и др. Схемотехника электронных систем. Аналоговые и импульсные устройства. - СПб.: БХВ - Петербург, 2004. - 496 с.

8.2.Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - М.: Мир, 2001. - 379с.: ил.

8.3.Федорков Б. Г. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 320 с.: ил.

119