Как в основном поле обозначается цап

9

Цифроаналоговые преобразователи.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)- устройство, предназначенное для преобразования цифрового сигнала в аналоговый.

Другое название такого устройства — преобразователь код-аналог.

Назначение следует из определения.

Классификация цифро-аналогового преобразователя.

ЦАП классифицируется по следующим основным признакам:

По числу разрядов преобразуемого кода:

По принципу действия:

* ЦАП с суммированием напряжения:

— ЦАП с суммированием напряжения с двоично-взвешенными резисторами;

— ЦАП с суммированием напряжения на резистивной матрицей;

* ЦАП с суммированием токов:

— ЦАП с суммированием токов в резисторной матрице.

* ЦАП с делением напряжения.

3. По роду выходного сигнала:

* ЦАП с токовым выходом;

* ЦАП с потенциальным выходом;

* ЦАП с резистивным выходом.

4. По полярности выходного сигнала:

5. По характеру опорного сигнала:

* с постоянным опорным сигналом;

* с изменяющимся опорным сигналом (умножающие).

Устройство цифроаналогового преобразователя.

Рис. 1 Устройство цифроаналогового преобразователя

Структурная схема ЦАП состоит из:

Назначение элементов схемы:

* резистивная схема учитывает веса разрядов цифровых сигналов на входе;

* суммирующий усилитель — усиливает поступающее на его вход сигналы до необходимого уровня.

В качестве суммирующего усилителя, как правило, используют ОУ.

На схеме ЦАП обозначаются следующим образом:

В такие схемы могут включатся резисторные матрицы и ОУ, либо только ре­зисторные матрицы (набор сопротивлений R).

В схемотехническом исполнении ЦАП представляет собой, как правило, однокорпусную микросхему. Обозначаются такие микросхемы следующим образом. Например: К 594 ПА1: где: А — код аналог, П — преобразователь.

Принцип работы цифроаналогового преобразователя.

Значение выходного напряжения U_вых ЦАП пропорционально весу присутствую­щего на входе кода.

Таким образом, выходное напряжение является суммой напряжений на входах, которые относятся друг к другу как веса соответствующих разрядов.

Представим схему ЦАП структурным эквивалентом в виде Рис. 3.

Рис. 3 Структурный эквивалент схемы ЦАП

* от "1" в первом разряде на выходе появляется уровень напряжения логи­ческой единицы U 1 ;

* от "1" во втором разряде — 2U 1 ;

* от "1" в третьем разряде — 4U 1 , и т.д.

Т.е. напряжение на выходе пропорционально весу разряда.

Если на входе присутствует код 1011,то выходное напряжение равно

U_вых=1U 1 +1(2U 1 )+0(4U 1 )+1(8U 1 )=11U 1

Т.е. выходное напряжение пропорционально двоично-десятичному коду числа.

Физически (с помощью графика) такое напряжение можно представить следующим образом:

Рис. 4 Выходное напряжение ЦАП

Таким образом, каждый двоичный код на входах ЦАП преобразуется в соответствующую ему дискретную аналоговую величину с периодом повторения Т. В дальнейшем эта последовательность модулированных по амплитуде импульсов поступает на вход устройств, осуществляющих преобразование указанной последовательности импульсов в непрерывный аналоговый сигнал

Рассмотрим схему простейшего ЦАП на резисторах и ОУ.

Дата добавления: 2017-11-21 ; просмотров: 2503 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи предназначены для дешифрации числовых последовательностей, т. е. создания аналогового напряжения (тока), значения которых пропорциональны входным кодам в моменты их поступления. Область применения ЦАП в электронных системах обработки информации не ограничивается устройствами сопряжения цифровых блоков с аналоговыми преобразователями. Используя свойства ЦАП, на их основе строят устройства перемножения цифрового кода на аналоговый сигнал, поданный на вход опорного напряжения. Управление с помощью цифрового кода сопротивлениями резисторов, входящих в состав преобразователя, позволяет построить на базе ЦАП делитель напряжения, коэффициент передачи которого можно изменять программным способом. Таким способом реализованы усилители с программируемыми коэффициентами передачи, перестраиваемые аналоговые фильтры и многие другие устройства с регулируемыми параметрами. В цифровых генераторах форма вырабатываемого напряжения задается программно в виде выходного сигнала ЦАП и может практически реализовать любую функцию.

Возможность получения с помощью ЦАП регулируемого стабильного уровня напряжения, пропорционального входному числовому коду, предопределило их широкое использование в структурах АЦП для преобразования аналогового напряжения в цифровой эквивалент.

Применение ЦАП в различных областях техники обусловило весьма широкой спектр требований к их параметрам и привело к созданию многочисленных разновидностей. Разработано и производится более сотни типов ЦАП, выпускаемых как в виде завершенных микросхем, так и встроенных в электронные приборы и устройства. Можно выделить несколько типичных структур ЦАП, каждая из которых служит основой для построения многих разновидностей преобразователей, отличающихся основными параметрами (разрядностью, временем преобразования, потреблением).

ЦАП классифицируют по различным признакам: назначению и составу, выполняемым функциям, электрическим характеристикам, конструктивно-технологическим и эксплуатационным свойствам. Базовые группы ЦАП определяют в соответствии с принципом действия, структурой и типу основных блоков (рис. 13.9).

Рис.13.9. Основные группы ЦАП

Основы функционирования ЦАП, способы их построения и основные свойства взаимосвязаны. Существенное влияние на структуру оказывает возможность ее реализации в виде ИМС с использованием конкретных технологических приемов.

Представленная в предыдущем разделе структура ЦАП прямого преобразования с параллельной подачей кода одновременно на все переключатели имеет ряд ограничений и недостатков. Одним из основных является формирование взвешенных эталонных токов с использованием прецизионных резисторов, сопротивления которых значительно отличаются. Например, в восьмиразрядном ЦАП номиналы задающих сопротивлений различаются в 128 раз. Если выбрать минимальное значение R_min = R = 5 кОм, то требуется R_max = 640 кОм. При этом резисторы всех номиналов должны иметь одинаковый допуск и стабильность характеристик. В полупроводниковой интегральной технологии изготовление таких элементов сопряжено со значительными трудностями.

На начальном этапе развития указанные ЦАП производились в виде гибридных изделий. Матрица сопротивлений, источник опорного напряжения и операционный усилитель изготавливались по пленочной технологии. Весьма жесткие требования предъявляются в таких схемах и к полупроводниковым переключателям, которые должны иметь высокую стабильность параметров и обладать малыми сопротивлениями в замкнутом состоянии. Наличие суммирующего ОУ и выходного формирователя не позволяют обеспечить достаточно высокое быстродействие.

Направления совершенствования ЦАП прямого преобразования связаны с разработкой структур, имеющих различные диапазоны точностных и эксплуатационных параметров, а также улучшающих технологичность их производства.

Для получения взвешенных эталонных токов была разработана схема последовательного деления напряжения опорного источника, требующия для своей реализации резисторы всего двух номиналов R и 2R (рис.13.10).

Рис.13.10. ЦАП с резистивной матрицей R — 2R

При таких сопротивлениях продольных и поперечных резисторов потенциалы узлов 1, 2, 3 убывают пропорционально 2 – j , т. е. образуется последовательность U_оп, U_оп /2, U_оп /4. Токи в поперечных ветвях также образуют убывающий ряд с коэффициентом 2 – j . В зависимости от положения ключей, управляемых разрядами двоичных чисел, токи поперечных ветвей направляются в суммирующий узел ОУ (при α_q = 1) или замыкаются на корпус (при α_p = 0).

Тип применяемых ключей и технология изготовления оказывает влияние на схемотехнические особенности и определяет параметры преобразователя. Обычно переключатели выполняются с использованием МДП технологии. При этом ключи в каждом разряде образованы парой n-МДП транзисторов. Если α_j = 1, то открыт правый транзистор и разрядный ток идет к точке суммирования, и при α_j = 0 открывается левый транзистор, замыкающий ток на корпус. Реализация ЦАП полностью в n-МДП технологии сталкивается с трудностями создания стабильного ИОН и получения резисторов с достаточно большими сопротивлениями. Типичные значения удельного сопротивления резисторов, формируемых в технологическом МДП процессе, составляют примерно 300 Ом/□ для поликремниевых и 10…100 Ом/□ для диффузионных областей полупроводника. Резисторы с большими номиналами сопротивлений занимают значительные площади. При небольших значениях сопротивлений резистивной матрицы на погрешность начинают существенно влиять соизмеримые с ними нестабильные сопротивления каналов переключательных транзисторов. Источник стабильного опорного напряжения (ИОН) и операционный усилитель часто выполняются по КМОП технологии.

В источниках тока, изготовленных по МДП технологии, в качестве элементов, задающих взвешенные значения токов, применяются сопротивления каналов нагрузочных МДП транзисторов. При этом с увеличением значения сопротивления необходимо пропорционально увеличивать площадь, занимаемую транзистором, что сопряжено с трудностями при реализации ЦАП большой разрядности.

Для повышения быстродействия и точности ЦАП с резистивной матрицей типа R — 2R выполняются по биполярной технологии. При этом используются источники тока на эмиттерных повторителях и переключатели, выполненные по схеме каскада с эмиттерной связью биполярных транзисторов, работающих в ненасыщенном режиме переключения токов. Такие приборы, как правило, изготавливаются без схемы преобразователя ток — напряжение на ОУ, т. е. имеют токовый выход, что обеспечивает высокое быстродействие преобразователя.

Широкое распространение получили ЦАП на основе коммутируемых конденсаторов, изготавливаемых по МДП технологии. Основой таких преобразователей служит матрица конденсаторов, емкости которых удовлетворяют соотношению С_j = 2 j (рис.13.11).

Рис.13.11. Параллельный ЦАП на коммутируемых конденсаторах

Принцип действия преобразователя основан на перераспределении зарядов в системе соединенных конденсаторов. Цикл преобразования состоит из двух фаз. Вначале все переключатели установлены в левую позицию и ключ К_сб замкнут, что приводит к разряду всех конденсаторов. Во второй фазе ключ К_сб размыкается и на ключи подается код α преобразуемого числа. При этом ключи К₃ … К₀ устанавливаются в соответствии со значениями разрядов кода числа. Если значение α_q = 1, то ключ К_j переключается в правое положения, вызывая заряд соответствующего конденсатора от источника опорного напряжения U_оп. При значении α_q = 0 переключатель останется в левом положении, обеспечивая нулевой заряд конденсатора. Суммарный заряд конденсаторов матрицы составит

q =α U_оп С = (2 3 α₃ +2 2 α₂ +2 1 α₁ +2 0 α₀ ) U_опС.

Такой же заряд получает конденсатор С₀, включенный в цепь обратной связи операционного усилителя. Схема на ОУ выполняет функцию преобразования заряда в напряжение, которое имеет вид

.

Выходное напряжение определяется кодом числа и зависит от отношения емкостей конденсаторов на входе и в обратной связи ОУ. Это является несомненным достоинством ЦАП с коммутируемыми конденсаторами, т. к. отношение емкостей конденсаторов, изготовленных в едином технологическом цикле получается точным и стабильным. К недостаткам преобразователя следует отнести ограниченное время хранения информации вследствие разряда конденсаторов, а также сравнительно большую площадь, занимаемую на кристалле матрицей конденсаторов.

На коммутируемых конденсаторах можно достаточно просто и эффективно реализуется ЦАП с последовательным поразрядным введением кода. Схема ЦАП содержит конденсаторы С₁ и С₂, источник опорного напряжения и коммутаторы, управляемые последовательностью внешних импульсов (рис.13.12).

Рис.13.12. Схема последовательного ЦАП на переключаемых конденсаторах (а) и диаграмма работы (б)

Циклу преобразования предшествует процедура сброса, т. е. разряда конденсаторов при замкнутом ключе К₀. Каждый такт преобразования одного разряда длительностью Т содержит две фазы: в течение первой фазы происходит запись значения очередного разряда числа в виде заряда конденсатора С₁ при разомкнутом ключе К₃, вторая фаза посвящена передаче полученных данных конденсатору С₂ при замкнутом ключе К₃ (ключи К₁ и К₂ при этом разомкнуты). Конденсаторы обычно изготавливают одинаковой емкости С₁ = С₂ = С и при их соединении имеющийся суммарный заряд делится поровну и напряжения выравниваются

.

Входной код поступает последовательно, начиная с младшего разряда через интервалы времени Т и управляет ключами К₁ и К₂ (при α_q = 1 ключ К₁ замкнут и К₂ разомкнут, а при α_p = 0 – положение ключей противоположно). Рассмотрим процесс формирования выходного напряжения, заданного кодом α₃ α₂ α₁ α₀ (например, 1101), по интервалам:

при 0 < t/T < 1/2 имеем U₁ = α₀U_оп = U_оп и U₂ = 0,

для 1/2 < t/T < 1 получим U_вых = α₀U_оп/2 = U_оп/2;

На этом процесс формирования выходного напряжения завершен. В общем виде выходной сигнал можно представить в форме

.

Разрядность преобразователя не зависит от структуры, а определяется чувствительностью последующего усилителя. Достоинствами ЦАП являются компактность и простота схемы, обеспечивающей монотонность характеристики. В качестве недостатков можно отметить некоторую сложность схемы управления. Следует отметить, что быстродействие последовательных ЦАП значительно ниже, чем параллельных.

Преимуществом ЦАП с коммутируемыми конденсаторами является их производство полностью по интегральной МДП технологии.

Высокоскоростные компактные ЦАП производятся полностью с использованием интегральной биполярной технологии. Безматричные ЦАП, не содержащие компонентов (резисторов, конденсаторов), базируются на делителях тока, реализованных на паре согласованных транзисторов. Стабильный ток опорного источника I₀ задает эмиттерные токи рабочего и нагрузочного транзисторов, базы которых находятся под одинаковым потенциалом. В силу идентичности транзисторов их коллекторные токи равны половине тока эмиттера. Коллекторный ток рабочего транзистора принимается за эталонный ток старшего разряда. Коллекторный ток нагрузочного транзистора подается в эмиттеры каскада следующего разряда, осуществляющего последовательное деление тока. Сформированный набор взвешенных токов, отличающихся сомножителем 2 j , поступает на выход через коммутатор, которым управляет входной кодовый сигнал α. Для обеспечения высокого быстродействия преобразователя коммутатор реализуется по схеме балансного каскада на биполярных транзисторных, которые работают в ненасыщенном режиме.

Цифро-аналоговое преобразование можно осуществить, преобразовав кодовую последовательность в сигнал с широтной модуляцией импульсов и выделив из нее квазипостоянную составляющую с помощью фильтра нижних частот (рис.13.13).

Рис.13.13. ЦАП с преобразованием кода в сигнал с ШИМ

Схема широтно-импульсного преобразователя реализована на регистре памяти RG, двоичном счетчике СТ, цифровой схеме сравнения К, триггере ТТ и генераторе импульсов ГИ стабильной частоты f. ШИП может работать с числами, представленными как в параллельном, так и в последовательном двоичных кодах. Входной сигнал в виде параллельного кода поступает на вход α регистра и сохраняется в форме выходного параллельного кода Q на время интервала преобразования. Выходные коды счетчика, ведущего подсчет импульсов ГИ, подвергаются поразрядному сравнению цифровым компаратором с кодом, хранящемся в регистре. При совпадении кодов компаратор вырабатывает импульс, сбрасывающий триггер в нулевое состояние. В результате на выходе формируется импульс, длительность которого определяется кодом входного числа t_и = α/f. Обратный переход триггера в единичное состояние происходит при полном заполнении счетчика емкостью N в момент T = N/f . В этот момент производится смена входного кода и процесс преобразования повторяется.

Полученная последовательность модулированных по длительности t_и импульсов с периодом повторения T, содержащая спектр модулирующего сигнала, поступает на ФНЧ, полоса пропускания которого выбрана с учетом спектра получаемого аналогового напряжения u₂. Скорость преобразования определяется постоянной времени ФНЧ.

Преобразователь может быть использован при подаче последовательного кода числа на вход D регистра. При этом преобразование осуществляется в два этапа. Первый содержит занесение последовательного кода в регистр, т. е. преобразование последовательного кода в параллельный. Затем повторяется описанная выше процедура преобразования параллельного кода в аналоговое напряжение.

Приведенная схема преобразователя обычно применяется в микропроцессорных системах с встроенной функцией преобразования выходного кода в ширину импульса.

Важную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой управляющие входы ключей ЦАП подключены непосредственно к выходам цифровых устройств. Если ЦАП входит в состав микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных данных.

В соответствии с типичными значениями основных параметров ЦАП подразделяют на несколько групп: быстродействующие, имеющие время преобразования от долей до десятков наносекунд с преимущественно токовым выходом; микромощные, потребляющие в нормальном режиме десятые доли милливатт, а в экономичном потребление может снижаться более чем на порядок; прецизионные, обладающие повышенной разрядностью (до 24 разрядов) при высокой линейности проходной характеристики.

Высокие значения одних параметров, как правило, сопровождаются некоторым ухудшением других характеристик: быстродействующие преобразователи имеют большое потребление, время преобразования микромощных ЦАП достаточно велико и составляет от единиц до десятков микросекунд, при этом те и другие имеют не более 8 …12 разрядов.

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

При построении устройств, связывающих управляющую ЭВМ с объектами, использующими информацию в непрерывной форме, требуется преобразование информации из цифровой формы в аналоговую (непрерывную) и из аналоговой в цифровую. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) широко используется там, где необходимо с помощью цифровой информации, выдаваемой ЭВМ, управлять аналоговыми устройствами. Кроме того, ЦАП используются в составе аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для формирования опорного аналогового сигнала (тока или напряжения), с которым сравнивается преобразуемый сигнал.

Рассмотрим сначала цифро-аналоговое преобразование, поскольку оно проще с точки зрения принципа действия и способа построения, и, кроме того, ЦАП иногда на практике используются как компоненты АЦП.

11.2.5.1. Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь — это устройство, преобразующее цифровой двоичный код в эквивалентную ему аналоговую величину (напряжение или ток).

Цифро-аналоговый преобразователь предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. В дальнейшем будем считать выходным сигналом ЦАП напряжение.

Рис. 11.57. Условные графические обозначения ИМС ОЗУ:

а — К537РУ13 — статическое ОЗУ; б — К565РУ5 — динамическое ОЗУ

Напряжение на выходе ЦАП будет наибольшим (Н_вых = Н_макс), когда во всех разрядах входного кода — логические единицы, т.е. когда его вес Q максимальный. Величина Q_MaKC = 2п -1, где п — разрядность кода. Считая зависимость (7_ВЫХ от Q линейной, можно записать приращение выходного напряжения на каждую единицу входного кода (от приращения кода на единицу в младшем разряде) AU = U_MaKC / 2п — 1. Величину AU называют квантом.

По существу, диапазон выходного напряжения [7_макс разбивается входным кодом на ряд одинаковых интервалов, каждый из которых равен кванту AU. Их границами являются квантованные уровни (AU, 2AU, 3AU и т.д.).

Выходное напряжение «набирается» из квантов. Поскольку квант — наименьшая составляющая выходного напряжения, то последнее может быть равно только целому числу квантов. За счет этого погрешность преобразования код-аналог нельзя гарантировать меньшей кванта AU.

На рис. 11.58 изображена зависимость выходного напряжения ЦАП от величины кода на входе.

Структура ЦАП обеспечивает передачу на выход стольких квантов, каков вес входного кода. Если во всех разрядах кода присутствуют лог.О, то П_вых = 0. При наличии лог.1 только в первом (младшем) разряде на выход ЦАП выводится один квант — [/_вых = AU. Это минимальное приращение выходного напряжения ЦАП, вызванное увеличением входного кода на единицу в младшем разряде. При наличии лог.1 только во втором разряде на выход передается 2 кванта, при наличии лог. 1 только в третьем разряде — 4 кванта и т.д. Напряжение на выходе ЦАП при наличии логических единиц в нескольких разрядах входного кода является суммой напряжений, каждое из которых обусловлено единицей в соответствующем разряде. Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально весу присутствующего на входах кода, т.е. его десятичному эквиваленту. Сменяющиеся входные коды обусловливают изменяющееся напряжение на выходе ЦАП.

Классификация и основные характеристики. Схемотехника ЦАП весьма разнообразна. ЦАП можно классифицировать по схемотехническим признакам на последовательные и параллельные. Последовательные могут быть на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и на переключающих конденсаторах. Параллельные могут быть с суммированием напряжений, суммированием токов и суммированием зарядов.

Рис. 11.58. Зависимость выходного напряжения ЦАП от величины кода на входе

Кроме этого, ИМС ЦАП классифицируются по следующим признакам:

• • по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения;
• • по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;
• • по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;
• • по быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Основными характеристиками ЦАП являются:

• • разрешающая способность;
• • время преобразования;
• • диапазон изменения выходной величины;
• • погрешность нелинейности;
• • дифференциальная погрешность;
• • полное выходное сопротивление (Z_BbIX);
• • температурный коэффициент нестабильности.

Точность определяется отклонением действительной выходной аналоговой величины от ее теоретического значения. На точность ЦАП влияют значения основных параметров и температурные дрейфы: эталонного источника, суммирующего усилителя, декодирующей схемы и аналоговых ключей.

Разрешающая способность — минимальное значение входной величины, которое определяет соответствующее изменение выходной величины: 1 2

где п — разрядность ЦАП.

Чем больше разрядность цифрового кода на входе ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

Время преобразования — это интервал времени между поступлением цифрового кода на вход ЦАП и временем установления соответствующего ему значения напряжения или тока на выходе. Оно определяется в основном быстродействием ключей и декодирующей схемы.

Под диапазоном изменения напряжения (77) или тока (7) понимают полную шкалу изменения напряжения от 0 до Т/_{вых тах} или тока от О

Погрешность нелинейности — это максимальное отклонение выходной величины от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Дифференциальной погрешностью называется максимальное отклонение от линейности для двух смежных значений входного кода.

Полное выходное сопротивление ЦАП (Z_BbIX) определяется со стороны выходных зажимов. Оно зависит в основном от выходного сопротивления суммирующего усилителя и имеет порядок сотен Ом.

Температурный коэффициент нестабильности (ТКН) ЦАП определяется степенью изменения выходного напряжения (10 или тока (!) от температуры (%/°С) в рабочем диапазоне температур. В рабочем диапазоне температур t = 0—40°С (для ±20°С) при ТКН = 0,01 %/°С получим значение относительной погрешности ЦАП от температуры на краю диапазона 8 = ±0,2%.

Наиболее широкое распространение на практике получили параллельные ЦАП. Из них рассмотрим ЦАП с двоично-взвешенными резисторами и ЦАП с резистивной матрицей R-2R.

Цифро-аналоговый преобразователь с двоично-взвешенными резисторами. Схема ЦАП с двоично-взвешенными резисторами приведена на рис. 11.59. ЦАП состоит из следующих компонентов:

• • п ключей S₀—S_n__b по одному на каждый разряд а₀—а_п__г, управляемых преобразуемым двоичным кодом N;
• • матрицы двоично-взвешенных резисторов R—R • 2-^-1);
• • источника опорного напряжения U_on;
• • выходного операционного усилителя DA, с помощью которого суммируются токи, протекающие через двоично-взвешенные резистора, для получения аналогового выходного сигнала Н_вых пропорционального цифровому коду.

Рис. 11.59. Схема ЦАП с двоично-взвешенными резисторами

На вход ЦАП подается двоичный код N, состоящий из п двоичных разрядов:

Десятичный эквивалент, которого определяется выражением

Каждый i-й разряд управляет ключом S_t который подключается к инвертирующему входу операционного усилителя (ОУ), когда а, = 1, или к общей шине, когда а, = 0. Сопротивления резисторов, соединенных с ключами, таковы, что обеспечивается пропорциональность протекающего в них тока двоичному весу соответствующего разряда входного кода. Сопротивление резистора в младшем разряде имеет значение R, сопротивление следующего резистора R/2 и т.д. до сопротивления резистора в старшем разряде, значение которого R/2 п

Операционный усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, следовательно, выходное напряжение ЦАП определяется по формуле

Таким образом, выходное напряжение Н_вых ЦАП получается путем суммирования одного входного напряжения U_on с различными коэффициентами усиления по входам. Из схемы (рис. 11.58) видно, что в любом положении переключателей S, они соединяют нижние выводы резисторов R—R • 2

(n-D либо с общей шиной схемы, либо с инвертирующим входом DA. Учитывая, что потенциал инвертирующего входа близок к нулю, то источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление, определяемое сопротивлением R и количеством разрядов п ЦАП. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Максимальное выходное напряжение ЦАП имеет место, когда все разряды а_< примут значение равное единице. Номиналы резисторов в младшем и старшем разрядах отличаются в 2 п

1 раз и должны быть выдержаны с высокой точностью. Например, для 12-разрядного ЦАП использование в старшем разряде сопротивления 10 кОм потребует включения в младший разряд преобразователя сопротивления порядка 20 МОм. Это создает трудности при реализации ЦАП посредством интегральной технологии.

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде (2 4 ) не должен превышать 3%, а в 10-м разряде (2 10 ) — 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема ЦАП при всей ее простоте обладает следующими недостатками:

• • значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС.
• • сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением реального замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования.

Эти недостатки устранены в ЦАП с резистивной матрицей R-2R.

Цифро-аналоговый преобразователь с резистивной матрицей R-2R. Схема ЦАП с резистивной матрицей R-2R изображена на рис. 11.60, а.

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления на 2 опорного напряжения U_on с помощью резистивной матрицы постоянного сопротивления R-2R. Характерной особенностью этой цепи является то, что ее входное сопротивление не зависит от количества звеньев и равно 2R (без учета входного резистора 2R старшего разряда).

Рис. 11.60. ЦАП с резистивной матрицей R-2R:

а — схема; б — условное обозначение

В результате токи, коммутируемые соседними ключами, различаются вдвое, как и веса двоичного кода.

Согласно рис. 11.60, выходной ток /_вых резистивной матрицы R-2R определяется выражением

Учитывая, что /₀ = U_on /R, имеем:

Токи, коммутируемые всеми ключами, суммируются и преобразуются в выходное напряжение 11_вых с помощью усилителя на ОУ. В результате получаем выходное напряжение

Поскольку в любом положении переключателей S_t они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление К_вх = = R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

В практических схемах переключатели S, выполняются на КМОП- транзисторах. Упрощенная схема КМОП переключателя приведена на рис. 11.61.

Рис. 11.61. Упрощенная схема КМОП переключателя

Поскольку КМОП ключи имеют низкое сопротивление в замкнутом состоянии, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от U_on линейно, то преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими.

На основе резистивной матрицы R-2R построены отечественные ЦАП в виде ИМС типа К572ПА1 и К572ПА2. Они включают: резистивную матрицу R-2R, КМОП-переключатели, регистры для хранения цифрового кода и резистор обратной связи R_oc. ОУ является внешним по отношению к ИМС ЦАП. На рис. 11.60, б приведено упрощенное условное обозначение указанных ЦАП.

Цифро-аналоговый преобразователь с резистивной матрицей R-2R, в отличие от ЦАП с двоично-взвешенными резисторами, не требуют широкого диапазона номиналов резисторов и поэтому легко реализуются полупроводниковой интегральной технологией. Матрицы R-2R занимают меньшую плотность на поверхности кристалла и позволяют снизить до минимума паразитные емкости и индуктивности резисторов и соединительных проводников. Однако такие преобразователи также имеют недостатки. Наиболее существенный — сильное влияние на точность преобразования нестабильности сопротивления ключей в замкнутом состоянии, что снижает временную и температурную стабильность их характеристик.

Указанный недостаток в значительной степени удается устранить в схемах, где разрядные токи формируются с помощью активных элементов (генераторов тока).

Схемы применения ЦАП относятся не только к области преобразования код-аналог. Пользуясь их свойствами можно производить умножение двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы.

11.2.5.2. Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь — устройство, преобразующее аналоговый сигнал в цифровую форму (цифровой двоичный код).

Аналого-цифровые преобразователи являются устройствами, принимающими входные непрерывные сигналы от аналоговых устройств и выдающими на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами.

По принципам построения АЦП подразделяются на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

К последовательным АЦП относятся:

• • последовательного счета;
• • следящего типа;
• • последовательного приближения;
• • с промежуточным преобразованием напряжения в интервал времени;
• • с промежуточным преобразованием напряжения в частоту;
• • двойного интегрирования;

Параллельные АЦП основаны на использовании (2п — 1) эталонов с весами, отличающимися на один квант. Сравнение входного аналогового значения с каждым эталоном производится одновременно с помощью 2п — 1 схем сравнения (компараторов).

Последовательно-параллельные АЦП подразделяют:

• • на многоступенчатые, в которых применяются несколько параллельных АЦП, работающих последовательно во времени;
• • многотактные, в которых один и тот же параллельный АЦП работает последовательно несколько раз с соответствующим управлением опорными напряжениями.

Основными характеристиками АЦП являются:

• • точность;
• • время преобразования (быстродействие).
• • динамический диапазон входного сигнала;
• • дифференциальная нелинейность;

• • интегральная нелинейность;
• • максимальная частота дискретизации;
• • входное сопротивление R_BX;
• • выходное сопротивление R_BbIx.

Точность определяется количеством разрядов выходного слова. 10-разрядные АЦП имеют относительную погрешность порядка 0,1%, 12-разрядные АЦП — 0,01%.

Время преобразования (быстродействие) — это время, необходимое для получения выходного двоичного слова (кода), после подачи на вход измеряемого напряжения U_<. Время преобразования различных типов АЦП лежит в пределах от десятков долей до сотен микросекунд.

Динамический диапазон входного сигнала определяется значениями минимального и максимального входного сигнала в соответствии с выражением

где U_Bxmax соответствует максимальному значению входного кода АЦП; U_BX min — уровень младшего разряда выходного кода.

Дифференциальная нелинейность определяется как разность напряжений двух соседних квантов.

Интегральная нелинейность характеризует идентичность приращений во всем диапазоне входного сигнала.

Входное R_BX и выходное R_BbIX сопротивления характеризуют сопротивление АЦП со стороны входных и выходных зажимов (для каждого разряда) соответственно.

Рассмотрим основные разновидности АЦП.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного счета.

Типичная схема АЦП последовательного счета или с единичным приближением приведена на рис. 11.62. Импульс начала цикла преобразования или импульс запуска сбрасывает счетчик DD3, устанавливает RS-триггер DD1, тем самым через логический элемент «И» DD2 подключая счетчик DD3 к выходу генератора импульсов G. Поскольку разряды счетчика соединены с разрядами ЦАП, то напряжение на выходе последнего ицд_П увеличивается по ступенчатому пилообразному закону (рис. 11.63), причем значение ступени соответствует аналоговому эквиваленту AU единицы младшего разряда АЦП. Процесс преобразования заканчивается, когда напряжение Пцдн сравняется с входным напряжением и_вх и станет превосходить его. При этом компаратор DA сбрасывает RS-триггер DD1, прекращая тем самым поступление счетных импульсов на счетчик DD3. Полученный к этому времени на выходах счетчика DD3 двоичный код N представляет цифровой эквивалент входного напряжения на момент окончания преобразования.

Статическая погрешность преобразования рассмотренного АЦП определяется в основном суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Быстродействие рассматриваемого АЦП, характеризуемое временем преобразования, определяется числом разрядов п и частотой счетных импульсов /_сч. Время преобразования АЦП данного типа является переменным и определяется уровнем входного напряжения. Максимальное время преобразования, соответствующее максимальному входному напряжению:

где At_C4 = 1//_сч — период следования счетных импульсов.

Рис. 71.62. Схема АЦП последовательного счета

Рис. 11.63. Временные диаграммы работы АЦП последовательного счета

Рассмотренный последовательный АЦП работает в циклическом режиме. В нем каждый очередной импульс запуска устанавливает преобразователь в исходное состояние, после чего начинается процесс преобразования.

Учитывая невысокое быстродействие, АЦП данного типа без устройства выборки и хранения (УВХ) пригодны для работы только с медленно меняющимися сигналами, которые за цикл преобразования изменяются не более чем на значение шага квантования.

Последовательный АЦП следящего типа. На практике часто используется нециклический последовательный АЦП следящего типа, схема которого приведена на рис. 11.64. Схема следящего АЦП отличается от схемы АЦП последовательного счета (см. рис. 11.62) тем, что в ней используется реверсивный счетчик DD2, управляемый прямым и инверсным выходными сигналами компаратора DA.

При п_вх > Пцдп импульсы с генератора G через логический элемент «И» DD1.1 поступают на суммирующий вход счетчика DD2 и он работает в режиме прямого счета. При этом выходной код счетчика растет до тех пор, пока ицд_П не достигнет значения и_вх.

При “вх Пцдп, то компаратор DA дает команду РПП оставить в старшем (п — 1) разряде лог.1, если наоборот и_вх U_on(V). При этом на выходах компараторов получится унитарный код. Например, если входное напряжение н_вх находится в пределах от 2,5ДU до 3,5ДU (AD — шаг квантования), то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в единичное состояние, а компараторы с 4-го по 7-й — в нулевое. Унитарный код с выходов компараторов подается на фиксирующие D-триггеры DD1. DD7 с тем, чтобы избежать появления ошибки неоднозначности считывания. С выходов D-триггеров DD1. DD7 унитарный код подается на приоритетный шифратор, преобразующий его в параллельный двоичный код.

На выходе приоритетного шифратора устанавливается двоичный код, десятичный эквивалент которого равен номеру старшего возбужденного входа.

Как следует из нижеприведенной табл. 11.27 состояний АЦП, при возрастании и_вх компараторы устанавливаются в состояние лог.1 по очереди — снизу вверх. Аналогично, при убывании и_вх компараторы устанавливаются в состояние лог.О в последовательности сверху вниз (рис. 11.69). Такая очередность не гарантируется при крутых фронтах входного напряжения, так как в этом случае преобладающим фактором становятся времена задержки компараторов, из-за различия в которых они могут переключаться в другом порядке.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) кратко

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про цифро-аналоговые преобразователи, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое цифро-аналоговые преобразователи, цап, аналого-цифровые преобразователи, ацп , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

цифро-аналоговые преобразователи ( цап ) и аналого-цифровые преобразователи ( ацп )

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, англ. Analog-to-digital converter, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC). Как правило, АЦП — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства с цифровым выходом, следует также относить к АЦП, например, некоторые типы преобразователей угол-код. Простейшим одноразрядным двоичным АЦП является компаратор.

Условно графическое обозначение (УГО)

Внешний вид АЦП определяется согласно ГОСТ 2.743-91 "ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники".

Условно графическое обозначение (УГО)

Внешний вид ЦАП определяется согласно ГОСТ 2.743-91 "ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники".

Основные параметры ЦАП и АЦП

• • Разрядность, выражаемая в битах и характеризующая диапазон измерения входной величины.
• • Погрешность коэффициента передачи, показывающая разность действительного и предписываемого значений (в единицах младшего разряда).
• • Линейность характеристики, т.е. наличие пропорциональности между эталоном аналоговой величины и кодом, соответствующему этой величине в единицах младшего разряда.

Возможность применения ЦАП и АЦП

Цифро-аналоговые преобразователи

где z0, z1, z2, z3 – коэффициенты, принимающие значение "0" или "1" при замкнутом или разомкнутом соответствующем ключе.
4х-разрядный двоичный код преобразуется в уровень выходного напряжения в диапазоне (0÷15) ΔU, где ΔU – шаг квантования. Чем меньше ΔU, тем больше разрядность ЦАП

Аналого-цифровые преобразователи

Обозначение АЦП

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь – это шифратор специального типа.
Принцип действия АЦП: используется метод последовательного счета.

Принцип работы АЦП

Генератор импульсов ГИ вырабатывает последовательность импульсов, которая с помощью счетчика Сч преобразуются в двоичный код . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Этот код управляет ключами ЦАП. Выходное напряжение ЦАП поступает на один из входов компаратора. При равенстве напряжений Uвх и Uцап компаратор выдает сигнал, останавливающий работу ГИ. На выходе счетчика фиксируется двоичный код, соответствующий напряжению Uвх

Разрядность АЦП

Разрядность АЦП характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь может выдать на выходе. В двоичных АЦП разрядность измеряется в битах. Разрядностью АЦП определяется и его разрешение – минимальное изменение величины входного аналогового сигнала, которое может быть зафиксировано данным АЦП. АЦП преобразовывает сигнал (напряжение) находящийся в диапазоне измеряемых сигналов. Нижняя и верхняя граница этого диапазона определяются напряжениями, поданными на соответствующие выводы.

Частота дискретизации АЦП

Аналоговый сигнал является непрерывной функцией времени, в АЦП он преобразуется в последовательность цифровых значений. Следовательно, необходимо определить частоту выборки цифровых значений из аналогового сигнала. Частота, с которой производятся цифровые значения, получила название частота дискретизации АЦП. Поскольку реальные АЦП не могут произвести аналого-цифровое преобразование мгновенно, входное аналоговое значение должно удерживаться постоянным, по крайней мере от начала до конца процесса преобразования (этот интервал времени называют время преобразования). Эта задача решается путем использования специальной схемы на входе АЦП — устройства выборки-хранения. Устройство, хранит входное напряжение в конденсаторе, который соединен со входом через аналоговый ключ: при замыкании ключа происходит выборка входного сигнала (конденсатор заряжается до входного напряжения), при размыкании — хранение. В микроконтроллерах частота дискретизации АЦП может быть настроена программно. Но, чем выше частота (более частая выборка) – тем больше ошибка преобразования (меньше точность).

Типы АЦП

Существуют следующие типы АЦП:

• • АЦП прямого преобразования (параллельный АЦП);
• • последовательно-параллельные АЦП;
• • АЦП последовательного приближения (с поразрядным уравновешиванием);
• • АЦП дифференциального кодирования;
• • АЦП сравнения с пилообразным сигналом;
• • АЦП с уравновешиванием заряда;
• • конвеьерные АЦП;
• • АЦП с промежуточным преобразованием в частоту следования импульсов;
• • сигма-дельта АЦП.

Для большинства АЦП разрядность составляет от 6 до 24 бит, частота дискретизации до 1 МГц. Мега- и гигагерцовые АЦП также доступны. Один из факторов увеличивающих стоимость микросхем — это количество выводов, поскольку они вынуждают делать корпус микросхемы больше, и каждый вывод должен быть присоединен к кристаллу. Для уменьшения количества выводов часто АЦП, работающие на низких частотах дискретизации, имеют последовательный интерфейс. Применение АЦП с последовательным интерфейсом зачастую позволяет увеличить плотность монтажа и создать плату с меньшей площадью.

Часто микросхемы АЦП имеют несколько аналоговых входов, подключенных внутри микросхемы к единственному АЦП через аналоговый мультиплексор. Различные модели АЦП могут включать в себя устройства выборки-хранения, инструментальные усилители или высоковольтный дифференциальный вход и другие подобные цепи

Параллельные АЦП

• Высокая скорость преобразования (5 – 20ГГц)
• Большая потребляемая мощность (обуславливается большим числом компараторов)

АЦП последовательного приближения

• Частота дискретизации 100КГц – 1МГц
• Низкое энергопотребление
• Точность – до 16 разрядов

Точность измерений

• ¨Ошибки квантования
• ¨Нелинейность
• ¨Апертурная погрешность

Проблемы точности
1. Ошибки квантования

• ¨Абсолютная величина ошибки находится в пределах от нуля до половины МЗР (Младший Значащий Разряд)
• ¨Ошибка обычно имеет равномерное распределение
• ¨Ошибка не коррелирована со входным сигналом
• ¨Среднеквадратическое значение ошибки лежит в пределах от 0,01% до 0,2%

2. Нелинейность

• ¨Интегральная нелинейность (INL) — максимальное отклонение реальной характеристики преобразования от прямой линии
• ¨Дифференциальная нелинейность (DNL) — разность между фактическим значением кванта преобразования в заданной точке характеристики преобразования и идеальным значением, равным МЗР

3. Апертурная погрешность

Применение АЦП

Аналого-цифровое преобразование используется везде, где требуется обрабатывать, хранить или передавать сигнал в цифровой форме: • АЦП являются составной частью систем сбора данных; • быстрые видео АЦП используются, например, в ТВ-тюнерах (это параллельные и конвеерные АЦП); • медленные встроенные 8, 10, 12 или 16-битные АЦП часто входят в состав микроконтроллеров (как правило они строются по принципу поразрядного уравновешивания, точность их невысока); • очень быстрые АЦП необходимы в цифровых осциллографах (параллельные и конвеерные); • современные весы используют АЦП с разрядностью до 24 бит, преобразующие сигнал непосредственно от тензометрического датчика (сигма-дельта АЦП); • АЦП входят в состав радиомодемов и других устройств радиопередачи данных, где используются совместно с процессором цифровой обработки сигналов в качестве демодулятора; • сверхбыстрые АЦП используются в антенных системах базовых станций (в так называемых SMART-антеннах) и в антенных решетках радиолокационных станций.

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• Квантование (обработка сигналов)
• Дискретизация
• Передискретизация
• Дельта-модуляция
• Сигма-дельта модуляция
• Теорема Котельникова
• Шум квантования
• устройства выборки-хранения , увх ,
• цифровой сигнал
• аналоговый сисгнал

Статью про цифро-аналоговые преобразователи я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развии теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое цифро-аналоговые преобразователи, цап, аналого-цифровые преобразователи, ацп и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база