6 Цифроаналоговые и аналого–цифровые преобразователи

Предназначены для преобразования цифровых или аналоговых сигналов, для сопряжения с микроконтроллерами, компьютерами.

6.1 Цифроаналоговые преобразователи

Выделяют

1 Принцип суммирования напряжений (см. рисунок 6.1, а).

Имеется цифровой код, который следует преобразовать в аналоговую форму. По горизонтальной оси откладывается заполнение счетчика прямого счета (см. рисунок 6.1, б), по вертикальной оси – ступени, кванты, которые в идеале можно представить в виде наклонной прямой, аналоговой по природе. Это может быть не прямая, а произвольной формы линия в том случае, если вес кода не как у счетчика прямого счета, а произвольный.

Из построения видно, что прямая выходит не с начала координат. Это погрешность преобразования. Можно прямую провезти через углы квантов, тогда погрешности не будет. Но обычно при фильтрации выделяются средние части квантов, и есть начальная погрешность, которую часто устраняют балансировкой, применяющейся совместно с подобными схемами.

Рисунок 6.1 — Принцип суммирования напряжения, а); цифровое преобразование, б)

Выделяют линейную и нелинейную погрешности (см. рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 — Линейная погрешность, а); нелинейная погрешность, б)

Выделяют шум квантования. Чем меньше ступеньки, тем меньше шум квантования. Можно фильтровать его, но это снижает быстродействие преобразования.

В схеме рисунка 6.1, а) ключи замыкаются и размыкаются соответственно нулями и единицами кода. При этом происходит суммирование соответственно разрядов и квантов.

Достоинство: несложность идеи, но метод не применяется, так как большое количество источников трудно реализуемо.

2 Принцип суммирования токов (см. рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 — Типовое включение ОУ по инвертирующей схеме, а);

эквивалентная схема включения схемы а), б); суммирование токов, в)

Смысл схемы, представленной на рисунке 6.3, б), заключается в том, что точка 1, соответствующая верхнему электроду ОУ (схема 6.3,а), заземлена, потому что здесь действует глубокая ООС по напряжению. Она сводит сопротивление между “–” и “+” входами, а также R2 почти к нулю. Из данной схемы можно сделать выводы:

1 Точка 1 заземлена, следовательно, источник сигнала Е_с через R1 работает на землю, а выход источника Е_вых через R_ос также на землю, т. е. они как будто независимы.

2 Так как реально в схеме рисунка 6.3,а) сопротивление между “–” и “+” входами стремится к бесконечности, то тока в проводнике между точкой 1 и землей в схеме 6.3,б) почти нет. А это означает последовательное соединение R1 с R_ос; токи I₁ и I_ос равны, следовательно

Это типовая формула коэффициента усиления инвертирующего включения ОУ.

Здесь уместно вспомнить пять идеальных свойств операционных усилителей:

а) R_BX

б) K_U

в) полоса частот стремится к бесконечности;

г) выходное сопротивление стремится к нулю;

д) входные и выходные напряжения в режиме ожидания равны нулю.

Разработчики операционных усилителей в интегральном исполнении стараются удовлетворить эти свойства. Именно по этой причине ток в цепи: практически равен нулю. Получается двойственность подхода к точке 1. С одной стороны она заземлена. С другой стороны не соединена с землей, т.е. имеется разрыв в цепи .

В схеме, изображенной на рисунке 6.3, в), два источника сигнала. Покажем, что в этой схеме суммируются токи, а через них и напряжения со своими коэффициентами усиления.

Так как точка 1 с одной стороны замкнута накоротко на землю, а с другой стороны имеет бесконечное сопротивление, в идеале, по отношению к земле, то сумма токов I₁ и I_2­– равна току I_ос:

Из последней записи следует, что складываются напряжения со своими коэффициентами усиления. На этом принципе суммирования токов, а следовательно и напряжений, строится ЦАП. Их отличительными особенностями являются:

а) наличие ОУ;

б) у этого ОУ используется инвертирующий вход.

Выделяют

– ЦАП с весовыми резисторами;

– ЦАП с матрицей R–2R.