Цифро-аналогові та аналого-цифрові перетворювачі.

Аналогову фізичну величину перетворюють в цифровий код за допомогою аналогово-цифрових перетворювачів (АЦП), а цифровий код в аналогову величину – за допомогою цифро-аналового перетворювача (ЦАП).

В процесі вимірювання та обробки сигналів різноманітних фізичних величин їх спочатку перетворюють в напругу постійного струму, в подальшому – в цифровий код. Дані АЦП називають перетворювачами напруга – код (ПНК).

В процесі оберненого перетворення цифровий код як правило перетворюється в напругу, яка в подальшому може використовуватись для побудови кривої на екрані електронно-променевих трубок, в вигляді дії на деталі різноманітних апаратів шляхом перетворення електричної енергії в механічну і т.д. ЦАП, які перетворюють цифровий код в напругу, називають перетворювачами код – напруга (ПКН).

АЦП широко застосовується в пристроях вводу сигналів в ЕОМ, в цифрових вимірювальних приладах і перетворювачах, а ЦАП – в пристроях виводу та індикації інформації із ЕОМ, в різних графопроекторах, в керуючих джерелах, вони також входять в склад деяких АЦП.

Цифро-аналогові перетворювачі

В ЦАП вхідним сигналом є цифровий код в різних системах числення, а вихідними відповідне йому значення аналогової величини в вигляді напруги постійного струму, тимчасового інтервалу і т.д. В ЦАП, побудованих на мікросхемах, в якості вхідного сигналу частіше всього використовується двійковий позиційний код або побудований на його основі десятковий код.

ЦАП являє собою пристрій (рис. 64), за допомогою якого формується вихідний аналоговий сигнал А при дії на нього входи цифрового коду D та зразкового сигналу Р, тобто

А=D*Р

Так як код D як правило являє собою N-розрядне lвійкове слово (), то вихідний сигнал рівний

,

Де коефіцієнти b₁, b₂, b_N рівні 0 або 1 в залежності від необхідного значення А.

Рис. 64. Сигнали ЦАП

ЦАП поділяють на дві групи: перша – ЦАП з прецизійними резистивними схемами, друга – без них.

Перетворення цифрової величини в аналогову здійснюється достатньо просто, якщо ввімкнути паралельно резистори, опори яких збільшуються за законом 2ⁿ* R (n = 0,…,3) і відповідають цифровим величинам, як показано на рис. 65.

Рис. 65. Принцип дії ЦАП

В залежності від двійкової комбінації, поданої на входи, відкривається один або декілька транзисторів, в результаті чого заземлюються відповідні резистори. Струм, що протікає через заземленні резистори, створює на загальному резисторі напруги, величини яких відповідають отриманіц двійковій інформації. Ця напруга підсилюється операційним підсилювачем (ОП).

Широко розповсюджені перетворювачі першої групи. Найбільш швидкодіючими із них являються ЦАП із струмовими ключами без вихідних операційних підсилювачів.

Основні параметри ЦАП: похибка перетворення, роздільна здатність, лінійність, час встановлення, вихідний опір.

Похибка являє собою відхилення вихідної аналогової величини від розрахункового значення. Роздільна здатність вказує на можливе число рівней вихідного аналогового сигнала і визначається максимальним приростом вихідного сигналу при перетворенні суміжних значень вхідного кода.

Теоретично N-розрядний ЦАП, що перетворює двійковий код, забезпечує 2^N значень вихідного сигнала А із роздільною здатністю

½ ^N-1*A_max. Фактично на роздільну здатність впливає похибки вузлів та шуми ЦАП, і вона може відрізнятимся від теоретично можливій.

Якщо похибка, що визначає роздільну здатність, сумірна із повною похибкою перетворювача, то про точність за числом розрядів кода судити не можна.

Похибка лінійності характеризує ідентичність мінімальних приростів вихідного сигналу в усьому діапазоні перетворень. Вона визначається максимальним відхиленням вихідного сигналу від лінії, проведеної через нуль і точку максимального значення сигналу (рис. 66). Як правило, необхідне

Рис. 66. Лінійність ЦАП

значення похибки лінійності не повинно перевищувати ±0,5 одиниць молодшого розряду. Ідентичність суміжних приростів вихідного сигналу характеризується диференціальною лінійністю. Похибка диференціальної лінійності визначається мінімальною різницею похибок лінійності двох суміжних рівнів вихідного сигналу, що відрізняються на одиницю молодшого розряду. Якщо при рівномірному збільшені значення вхідного коду вихідна величина змінюється нерівномірно, то ЦАП має немонотонність. Остання виникає в тому випадку, коли похибка вихідного сигналу, яка обумовлена похибкою молодших розрядів, не дорівнює похибці вихідного сигналу, викликаною похибкою наступного старшого розряду. Це може призвести до того, що при деякій зміні вхідного коду вихідний сигнал зменшується, замість того щоб збільшуватись.

Час встановлення характеризує динамічні властивості перетворювача й визначається інтервалом часу від надходження вхідного кодованого сигналу до встановлення вихідного сигналу (напруги) в межах допуску. Значення часу встановлення нормується при стрибкоподібній зміні вихідного сигналу від мінімального до максимального його значення при певному навантажені. Інтервал часу встановлення (рис. 67) складається із: 1-часу затримки, за який величина вихідної напруги дорвнює 0,1U₀; 2-часу наростання, за який вихідна напруга змінюється від 0,1U₀ до 0,9U₀; 3-часу повернення, за який режим наростання переходить в режим остаточного встановлення; 4-часу остаточного встановлення, за який вихідна напруга встановлюється в межах допуску.

Рис. 67. Час встановлення

Час встановлення суттєво змінюється в залежності від різноманітності значень послідовно перетворюючих кодів, від характеру навантаження (опір, ємність).

Один із джерел похибки перетворення ЦАП – вплив навантаження. При постійному навантажені ця погрешность носить систематичний характер і може бути скомпенсована при калібровці ЦАП. При змінному навантажені похибка носить випадковий характер і її неможливо скомпенсувати або врахувати. Похибка від впливу навантаження обумовлюється кінцевим значенням вихідного опору r_вих, який спільно з опором навантаження R_H утворює подільник напруги (рис. 68), в результаті чого напруга при

Рис. 68. Еквівалентна схема ЦАП (ПКН)

навантажені U_вих менша вихідної напруги ЦАП, що рівне Е₀. Для зменшення похибки від впливу навантаження ЦАП повинен мати дуже малий вихідний опір, набагато менше опору навантаження. При r_вих ≤ R_H/100 похибка не перевищує 1%. Для вимірювальних перетворювачів вона складає 0,50...0,01%.

Як правило, ЦАП містить резистивну матрицю, за допомогою якої формуються вихідні сигнали, пропорційні вхідному коду; набір струмових ключів, що реалізують коефіцієнти двійкових розрядів; вихідний підсилювач і джерело опорної стабілізованої напруги. Крім того, в схему вмикають пристрій, який забезпечує відповідність входу ЦАП з цифровими мікросхемами.

Вихідним підсилювачем служить ОП, який сумує розрядні струми. Напруга на виході ОП пропорційна вхідному коду: , де - опір зворотного зв’язку ОП; N – вхідний код.

Основні вузли ЦАП випускаються вітчизняною промисловістю в вигляді окремих мікросхем і в комплекті. Окремі резистині матриці містяться в мікросхемах К228ПП1, К265ПП1 – 7 розрядів, К252ПН1 – 10 розрядів, К304ИД1,3,5 – 5,7,9 розрядів, 301НС1 – 10 розрядів та інші.

Ключі в вигляді багатокристальних комутаторів містяться в мікросхемах: К190КТ1 (5 каналів), К190КТ2 (4 канали), 240КН1 ( 1 канал), 240КН2 (3 канали), 240 КН3 (4 канали), К252КТ1 (4 канали), К594КТ1(4 канали) та інші.

Промисловість випускає мікросхеми серії К252, які можна використовувати для побудови ЦАП: К252ПА1, К252ПА2, К252ПА3, К252ПН1.

Дані перетворювачі побудовані за гібридною технологією. В останні роки все більше уваги приділяється ЦАП, що виконані на базі напівпровідниковій технології з використанням тонкоплівчастих резисторів на кристалі. Прикладом такого перетворювача може бути десятирозрядний ЦАП – мікросхема К572ПА1А, що містить матрицю резисторів та ключі на КМДП – транзисторах. Існують різновиди цієї мікросхеми: К572ПА1Б, К572ПА1В, К572ПА1Г, що мають відповідно 9,8,7 розрядів.

Іншим прикладом ЦАП, виконаного на базі напівпровідникової технології, служить 12 – розрядний перетворювач К594ПА1, що містить резистивну матрицю, біполярні струмові ключі і ОП. Він має менше, ніж і розглянутих вище перетворювача час встановлення Т_вст= 3,5 мкс.

Перспективи розвитку ЦАП: зменшення часу встановлення до десятих частин мікросекунд і менше в результаті виконання швидкодії ключів та зменшення часу встановлення ОП; підвищення точності перетворювача (до 0,05-0,003%) за рахунок підвищення якості резистивних матриць, ключів, стабільності джерела опорної напруги і підвищення розрядності перетворювача (до 14 – 16).