2.2. Цап с параллельным интерфейсом

Наиболее часто здесь используются два варианта. В первом случае, когда разрядность входного кода совпадает с разрядностью ЦАП, на его входы подается все входное слово целиком (Рис. 12).

Рис. 12. ЦАП с параллельным интерфейсом

a — функциональная схема, б — временная диаграмма

Интерфейс такого ЦАП включает два регистра хранения и схему управления (Рис.12а). Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и установка выходного аналогового сигнала, соответствующего этому коду, должны быть разделены во времени. Подача на вход асинхронного сброса CLR сигнала низкого уровня приводит к обнулению первого регистра и соответственно выходного напряжения ЦАП.

На Рис. 13 показан другой пример подключения ЦАП по этому варианту. Здесь 12-разрядный ЦАП МАХ507 подключен к 16-разрядному микропроцессору (МП). Процессор посылает входной код в ЦАП, как в ячейку памяти данных. Вначале с шины адрес/данные поступает 16-разрядный адрес ЦАП, который фиксируется регистром по команде с выхода ALE микропроцессора и после дешифрации активизирует вход CS ЦАП. Вслед за этим МП подает на шину адрес/данные 12-разрядный входной код данных, и затем сигнал записи на вход WR (см. Рис. 12б).

Рис. 13. Подключение ЦАП с параллельным интерфейсом

к микропроцессору Intel 8086

Для подключения многоразрядных ЦАП к 8-разрядным микропроцессорам и микроконтроллерам используется второй вариант параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух параллельных загрузочных регистров для приема младшего байта входного слова МБ и старшего байта — СБ (Рис. 14).

Рис. 14. Подключение ЦАП с параллельным интерфейсом второго типа

к восьмиразрядному микропроцессору

Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последовательности.

2.3. Применение цап

Схемы применения цифроаналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код—аналог. Пользуясь их свойствами, можно выполнять целый ряд преобразований аналоговых сигналов, в том числе их перемножение и деление, строить аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие, как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе генераторы сигналов произвольной формы. Ниже рассмотрены некоторые схемы преобразования сигналов, включающие ЦАП.

Обработка чисел со знаком

До сих пор при описании ЦАП входная цифровая информация представлялась в виде чисел натурального ряда (униполярных). Обработка целых чисел (биполярных) имеет определенные особенности. Обычно двоичные целые числа представляются с использованием дополнительного кода. Таким путем с помощью восьми двоичных разрядов можно представить числа в диапазоне от — 128 до + 127. При вводе чисел в ЦАП этот диапазон чисел сдвигают до 0...255 путем прибавления 128. Числа, большие 128, при этом считаются положительными, а числа, меньшие 128, — отрицательными. Среднее число 128 соответствует нулю. Такое представление чисел со знаком называется смещенным кодом. Прибавление числа, составляющего половину полной шкалы данной разрядности (в нашем примере это 128), можно легко выполнить путем инверсии старшего (знакового) разряда. Соответствие рассмотренных кодов иллюстрируется Табл. 8.1.

Таблица 1. Соответствие кодов

Десятичный код	Дополнительный код	Смещенный код	Аналог I / I (шах)
127	01111111	11111111	127 / 255
1	00000001	10000001	1 / 255
0	00000000	10000000	0
-1	11111111	01111111	-1/ 255
-127	10000001	00000001	-127 / 255
-128	10000000	00000000	-128 / 255

Чтобы получить выходной сигнал с правильным знаком, необходимо осуществить обратный сдвиг путем вычитания тока или напряжения, составляющего половину шкалы преобразования. Для различных типов ЦАП это можно сделать разными способами. (Рис.15)

Например, в ЦАП на источниках тока, где диапазон изменения опорного напряжения ограничен, а выходное напряжение имеет полярность, обратную полярности опорного напряжения, биполярный режим наиболее просто реализуется включением дополнительного резистора смещения R_OFF между выходом ЦАП и входом опорного напряжения (Рис.15а). Резистор R_OFF изготавливается на кристалле ИМС. Его сопротивление выбрано таким, чтобы ток I_OFF составлял половину максимального значения выходного тока ЦАП (т. е. был бы равен току старшего разряда).

Рис. 15. Схемы биполярного включения ЦАП: a — с резистором смещения R_OFF;

б — с дополнительным внешним инвертирующим ОУ, в — с буферным (встроенным) ОУ

В принципе аналогично можно решить задачу смещения выходного тока и для ЦАП с формированием весовых токов резистивными цепями. Для этого нужно проинвертировать опорное напряжение, а затем сформировать из— V_REF ток смещения, который следует вычесть из выходного тока ЦАП. Однако для сохранения температурной стабильности лучше обеспечить формирование тока смещения непосредственно в ЦАП. Для этого, например, в схему ЦАП с резистивной матрицей R-2R (Рис. 3), кроме ОУ, показанного на Рис. 15а, вводят дополнительный операционный усилитель, к входу которого подключают второй выход ЦАП с током I”_OUT (Рис.15б).

Перемножители и делители аналоговых сигналов

Как уже указывалось выше, ЦА-преобразователи с формированием весовых токов резистивными цепями допускают изменение опорного напряжения в широких пределах, в том числе и смену полярности. Выходное напряжение ЦАП пропорционально произведению опорного напряжения на входной цифровой код. Это обстоятельство позволяет непосредственно использовать такие ЦАП для перемножения аналогового сигнала на цифровой код.

При униполярном включении ЦАП выходной сигнал пропорционален произведению двухполярного аналогового сигнала на однополярный цифровой код. Такой перемножитель называют двухквадрантным. При биполярном включении ЦАП (Рис.15б и 15в) выходной сигнал пропорционален произведе нию двухполярного аналогового сигнала на двухполярный цифровой код. Эта схема может работать как четырехквадрантный перемножитель.

Деление входного напряжения на цифровой масштаб M_D = D/2N выполняется с помощью схемы двухквадрантного делителя (Рис.16).

Рис. 16. Схемы двухквадрантных делителей:

a — с токовым выходом, б — с выходом по напряжению

В схеме на Рис. 16а преобразователь с формированием весовых токов резистивными цепями с токовым выходом работает как преобразователь «напряжение- ток», управляемый кодом D и включенный в цепь обратной связи ОУ. Входное напряжение подается на свободный вывод резистора обратной связи ЦАП, размещенного на кристалле ИМС.

Аттенюаторы и интеграторы на ЦАП

Аттенюаторы, т. е. регуляторы уровня сигнала с цифровым управлением гораздо более надежны и долговечны, чем традиционные аттенюаторы на основе переменных резисторов. Их целесообразно использовать в измерительных приборах и других устройствах, требующих подстройки параметров, особенно автоматической. Такие аттенюаторы можно наиболее просто построить на основе перемножающего ЦАП с инверсной резистивной матрицей и буферным усилителем. В принципе для этой цели подойдет любой ЦАП этого типа, но некоторыми фирмами выпускаются преобразователи, оптимизированные для выполнения указанной функции. На Рис. 17а приведена схема аттенюатора на переменном резисторе, а на Рис. 17б — аналогичная схема на перемножающем ЦАП.

Рис.17. Схемы аттенюаторов:

a — на переменном резисторе, б — на перемножающем ЦАП

Если входной сигнал — однополярный, целесообразно использовать ЦАП с однополярным питанием, но буферный ОУ должен иметь выход «rail-to-rail», т. е. его выходное напряжение должно лежать в диапазоне от нуля до напряжения питания. Если ЦАП — многоканальный, то у каждого преобразователя микросхемы должен быть индивидуальный вход опорного напряжения. Этим требованиям в разной степени удовлетворяют такие ИМС ЦАП, как 2-каналь- ный 12-разрядный МАХ532, 4-канальный 8-разрядный МАХ509, 8-канальный 8-разрядный AD8441, 16-канальный 8-разрядный AD8600 и др. Фирма Analog Devices выпускает микросхемы регуляторов громкости 4- и 6-канальные SSM2160/SSM2161 оптимизированные для аудиоприложений, представляющие собой многоканальные усилители с коэффициентом усиления, регулируемым через ЦАП.

Для построения интегратора с цифровой установкой постоянной времени интегрирования можно использовать базовую схему интегратора, а в качестве входного резистора включить цифровые потенциометры. На базе такой схемы можно построить фильтры, в том числе фильтры на основе метода переменных состояния, перестраиваемые генераторы импульсов и т. д. При этом необходимо отметить, что в принципе сопротивления резисторов цифрового потенциометра (в отличие от обычных ЦАП) могут значительно отличаться от номинального значения (до 25%), но соответствующие сопротивления резистивных матриц многоканальных цифровых потенциометров должны быть хорошо согласованы.

Системы прямого синтеза сигналов

Важной областью применения ЦАП является синтез аналоговых сигналов необходимой формы. Здесь приходится решать, по меньшей мере, две задачи. Первая из них — это генерирование так называемых сигналов специальной формы — синусоидальной, треугольной и прямоугольной. Обычные аналоговые генераторы таких сигналов на операционных усилителях имеют низкую точность и стабильность, не могут управляться от ЭВМ.

Другая задача — синтез гармонических сигналов множественных частот с высокой точностью и стабильностью из одной или большего количества опорных частот. Для этого до недавнего времени использовалось переключение и смешивание выходных сигналов группы кварцевых генераторов, а также программируемые умножители частоты на основе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Блок-схема умножителя частоты на основе ФАПЧ представлена на Рис. 18

Рис. 18. Блок-схема умножителя частоты на основе ФАПЧ

Опорное напряжение с фиксированной частотой/с поступает на один вход фазового детектора (ФД), в качестве которого может использоваться логический элемент «Исключающее ИЛИ». Другой вход ФД управляется от программируемого счетчика-делителя на Л/, на вход которого в свою очередь поступает сигнал от генератора, управляемого напряжением (ГУН). Среднее значение напряжения на выходе ФД определяется сдвигом фаз между сигналами на его входах. Частота выходного сигнала ГУН пропорциональна этому напряжению. Таким образом, в схеме имеет место отрицательная обратная связь, которая обеспечивает равенство

(8-30)

откуда следует

f_OUT = / с 'М .

Из-за наличия обратной связи при проектировании ФАПЧ приходится принимать компромиссные решения, связанные с фазовым шумом, быстродействием, разрешающей способностью по частоте и т. д. В связи с широким распространением цифровых методов в контрольно- измерительной аппаратуре и системах связи получил развитие так называемый прямой цифровой синтез (ПЦС) сигналов. Системы прямого цифрового синтеза обеспечивают высокую точность задания частоты и начальной фазы сигналов, а также высокую верность воспроизведения их формы. Более того, эти системы позволяют генерировать сигналы большого многообразия форм, в том числе и форм, задаваемых пользователем. В принципе системы прямого цифрового синтеза просты. Теория и основные способы построения таких систем известны уже около 30 лет. Правда, только недавно появились ЦАП и специализированные аналого-цифровые ИМС, подходящие для синтеза сигналов в широкой полосе частот. Упрощенная блок-схема генератора с ПЦС приведена на Рис. 19.

Рис. 8.39. Блок-схема генератора с ПЦС

Схема прямого цифрового синтеза содержит три основных блока: генератор фазового угла, память и ЦАП. Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливающий сумматор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает приращение на некоторый фазовый угол через заданные интервалы времени. Необходимое приращение фазы Дф в виде цифрового кода загружается последовательно или побайтно во входные регистры. Память играет роль таблицы функций. Усеченный снизу до т бит (где т — разрядность адресной шины памяти), код текущей фазы поступает на ее адресные входы, а с выхода данных на вход ЦА-преобразователя поступает TV-разряд- ный код, соответствующий текущему значению заданной функции. ЦАП в свою очередь формирует аналоговый сигнал. Усечение выходного слова генератора фазового угла не влияет на разрешающую способность системы по частоте, а только сокращает число выборок (ступенек) в периоде воспроизводимой кривой. Выходной регистр содержит текущую фазу выходного сигнала в виде доли периода. Увеличение разрядности регистра и сумматора повышает только разрешающую способность этой доли. Частота выходного сигнала равна произведению тактовой частоты / с на приращение фазы на каждом такте. При использовании я-разрядного сумматора частота выходного сигнала будет равна [8.1]

(8.31)

Если, например, генератор фазового угла имеет разрядность 32, то при Аф = 1 LSB потребуется 232, т. е. более 4 млрд тактов для возврата генератора в первоначальное состояние.

Дискретность установки частоты (разрешение по частоте) А/оит зависит от величины относительного приращения фазы при изменении этого приращения на 1 бит. Ее можно вычислить по формуле__

(8.32)

_На Рис. 8.40 приведен график зависимости й/оит от частоты /оит Для системы ПЦС с 40-разрядным генератором фазы п ри /с = 80 МГц.

Рис. 8.40. График зависимости дискретности установки частоты от частоты выходного сигнала генератора с ПЦС

Спектральная чистота выходного аналогового сигнала, прежде всего, определяется свойствами ЦАП, а фазовый шум — фазовым шумом сигнала генератора опорной частоты/с . Система прямого цифрового синтеза имеет по сравнению с умножителем частоты на основе ФАПЧ ряд особенностей. Поскольку ПЦС-система — это в определенном смысле система выборки данных, здесь приходится рассматривать все проблемы, связанные с дискретизацией: шум квантования, наложение спектров, фильтрация и т. д. Например, комбинационные составляющие, обусловленные высшими гармониками выходного сигнала ЦАП, попадают в полосу Найквиста (0... /с /2 ) и практически не могут быть отфильтрованы, в то время как в ФАПЧ-системах комбинационные составляющие отсутствуют, а высшие гармоники сигнала легко фильтруются. Зато ПЦС может обеспечить разрешение по частоте, недоступное системам с ФАПЧ. На Рис. 8.41 показан выходной спектр системы ПЦС с 12-битным ЦАП и памятью на 217 слов при воспроизведении синусоидального сигнала частотой 39.1 МГц при тактовой частоте 300 МГц._

Рис. 8.41. Спектр выходного сигнала системы прямого цифрового синтеза

Системы прямого цифрового синтеза чрезвычайно гибки. Частота выходного сигнала может быть изменена практически мгновенно без разрыва фазы простым изменением содержимого входных регистров. Для систем прямого цифрового синтеза разработаны ЦАП повышенной разрядности и быстродействия,