7. Цап с резистивными цепочками

Цифро-аналоговый преобразователь (код-аналог) предназначен для преобразования входного сигнала, заданного в цифровом коде в аналоговый выходной сигнал.

Применение ЦАП:

• при построении аналого-цифровых преобразователей;

• при построении калибраторов постоянного и переменного тока и напряжения, сопротивления, силы тока, емкости, индуктивности и др.;

• при построении систем регулирования и моделирования;

• в технике воспроизведения цифровой записи звука и видеоизображения.

Иногда ЦАП может применяться в качестве умножающего устройства для перемножения значения силы тока на входной код.

Существует ряд методов цифро-аналогового преобразования. Широко используются ЦАП, выполненные на основе резистивной матрицы. Наиболее общие типы электронных ЦАП:

1. Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в высококлассной аудиотехнике.

2. ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (с постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

3. Взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит.

4. Цепная R-2R–схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R–ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости.

5. Сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду.

6. Гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.

Рис. 1.20.

Наиболее распространенным является метод суммирования на одну нагрузку токов или напряжений с весами 2n с помощью ключей, управляемых входным цифровым кодом (рис. 1.20).

Входной код определяет положение переключателей: левое положение (рис. 1.21 а) соответствует состоянию «1» в данном разряде (а_i= 1), правое – состоянию «0» (а_i = 0). На рис. 1.21, а переключатели для наглядности показаны электромеханическими, на самом деле они реализованы на сдвоенных полевых транзисторах (рис. 1.21 б).

Рис. 1.21

Источник опорного напряжения U₀вместе с резистивной цепочкой R–2R и переключателями образуют преобразователь входного кода числа N в выходной ток I, а операционный усилитель ОУ и резистор обратной связи R_ос– преобразователь тока I в напряжение U.

Резистор R_освходит в состав той же матрицы резисторов, что и цепочка R–2R, поэтому отношение R_ос/R получается стабильным, стабильнее, чем R, т.е. q_Uстабильнее, чем q_I. Операционный усилитель ОУ может быть внешним, но R_освходит в состав микросхемы. Так сделаны микросхемы 572-й серии: К572ПА1 (10 двоичных разрядов, время цикла преобразования 5 мкс) и К572ПА2 (12 разрядов, 15 мкс). Обратим внимание, что увеличение числа разрядов на два приводит к увеличению времени преобразования в три раза!

Конструктивно ЦАП может быть оформлен в виде одной микросхемы, которая в минимальном составе может содержать только цепочку сопротивлений, ключи и усилитель. Однако такой состав не дает возможности нормировать метрологические характеристики, а потому подобные микросхемы не могут выполнять функции средства измерений. Поэтому ЦАП, который может считаться средством измерений, должен содержать в своем составе, как минимум, следующие обязательные компоненты: источник стабильного рабочего тока и стабилизатор напряжения питания. Помимо этого в каждом ЦАП, предназначенном для совместной работы с компьютером (процессором) должно быть предусмотрено устройство интерфейсного сопряжения с компьютером и устройство гальванической развязки по цифровому входу/выходу, как это схематически показано на рис. 1.21.

Рис. 1.21

=======================================================================================

ВОПРОСЫ:

1. Цифровая измерительная техника и ее средства

2. Аналоговое и цифровое представление информации

3. Цифровая измерительная техника и современная теория измерений

4. Элементарные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи

5. АЦП поразрядного уравновешивания

6. Интегрирующие АЦП, развертывающего преобразования, “частота – код”, “интервал времени – код”

7. ЦАП с резистивными цепочками

ВАЖНЕЙШИЕ ТИПЫ КОДИРОВАННЫХ ШКАЛ