§4.5. Цифро-аналоговые преобразователи.

Цифро-аналоговый преобразователь представляет собой устройство для автоматического преобразования входных величин, представленных числовыми кодами, в эквивалентные им значения заданной физической величины, наиболее часто которой являются напряжение или ток. Количественная связь между входной числовой величиной n и ее аналоговым эквивалентом A(t_i), характеризующая алгоритм цифро-аналогового преобразования, имеет вид A(t_i)=N_ih+δ, где h -аналоговый эквивалент единицы младшего разряда кода; δ-погрешность преобразования.

Рис.4.4.11

Основными параметрами, характеризующими работу ЦАП в статическом и динамическом режимах, являются следующие:

1. Число разрядов N -количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может воспринимать ЦАП. Для двоичных ЦАП под числом разрядов понимается двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций на входе ЦАП.

2. Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы δ_пш -отклонение значения выходного напряжения ЦАП от номинального значения, соответствующего конечной точке характеристики преобразования (рис.4.5.1,а).

3. Напряжение смещения нуля на выходе U₀₀ -напряжение постоянного тока на выходе ЦАП при входном коде n, соответствующем нулевому значению выходного напряжения (рис.4.5.1,а).

4. Нелинейность ЦАП δ_л -отклонение действительной характеристики преобразования от идеальной или оговоренной прямой линии (рис.4.5.1,а).

5. Время установления выходного напряжения или тока tycт-интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП, до момента, при котором выходное напряжение или ток окончательно установятся в зоне шириной h (рис.4.5.1,6).

Принцип цифро-аналогового преобразователя заключается в суммировании аналоговых величин, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, разрядные коэффициенты которых а_i=1.

а) б)

Рис.4.5.1. Характеристики и параметры ЦАП: а) к определению U_oo, δ_пш, δ_лд, 1 -идеальная характеристика, 2 - реальная характеристика, б) к определению t_ycтT.

Наибольшее распространение получили так называемые ЦАП с прямым преобразованием, где цифровой код непосредственно преобразуется в аналоговую величину без каких либо промежуточных (косвенных) преобразований. ЦАП с прямым преобразованием в свою очередь подразделяются на параллельные и последовательные. Подавляющее большинство практически используемых ЦАП имеют структуру параллельного типа. Принцип работы ЦАП параллельного типа основан на суммировании эталонных токов I₁, I₂, ..., I_n, соответствующих весам разрядов. Как правило, суммирование токов производится операционным усилителем (ОУ), напряжение на выходе которого U_a пропорционально входному коду N. Так, для двоичного кода:

(4.5.1)

где а_i -разрядные коэффициенты кода N, определяющие подключение (при а_i=1) или отключение (при а_i=0) разрядного тока; I_i; - эталонный ток i-ro разряда; R_oy -сопротивление обратной связи ОУ.

В зависимости от вида источников эталонных токов ЦАП делятся на две группы: с резистивными сетками (СР) и активными делителями опорных токов.

На рисунке 4.5.2 приведена схема параллельного ЦАП с суммированием токов. Схема состоит из резистивной сетки, ключей на полевых транзисторах VT₁ - VT_n, инверторами с открытым коллектором D₁-D_n и операционного усилителя ОУ. Эталонные токи определяются весовыми резисторами СР и источником напряжения е₀. Суммирование токов осуществляется ОУ. Сопротивление резисторов сетки изменяется по закону: (4.5.2)

При а_i=1 напряжение на выходе инвертора равно 0, ключ VT_i открыт, и ток от источника эталонного напряжения е₀ через соответствующий резистор R_i подается на вход ОУ. При а_i=0 ключ запирается и отключает цепь с резистором R_i.

Рис.4.5.2. Функциональная схема ЦАП с суммированием токов

Таким образом, ток, втекающий в суммирующую точку ОУ, зависит от значения входного кода и определяется выражением:

Операционный усилитель преобразует ток I в выходное напряжение, при этом с помощью резистора обратной связи R_oC производится требуемое масштабирование выходного напряжения:

т.е. выходное напряжение пропорционально цифровому коду N.

Источниками погрешностей в ЦАП с весовыми резисторами являются ОУ, источник эталонного напряжения E_o,R_ос,R_i,VT_i. Минимального значения погрешность ЦАП достигает, когда при равенстве абсолютных значений погрешности весовых резисторов и резистора обратной связи имеют одинаковые знаки. В схеме (рис.4.5.2) резистор R_oc входит в состав СР. Изготовление всех резисторов по единой технологии и в едином технологическом цикле приводит к малому разбросу их относительных погрешностей и температурных коэффициентов резисторов.

Недостатком ЦАП с весовыми резисторами является широкий диапазон номиналов резисторов (R_n/R₁=2n-1)