Цифро-аналогові перетворювачі

ЦАП з паралельним інтерфейсом вхідних даних

На N входів даних N-розрядного ЦАП подається все вхідне слово. Інтерфейс такого ЦАП має два регістри збереження та схему керування (рис.14,а).

 

Рис.14. а) ЦАП з паралельним інтерфейсом; б) діаграма напруг

 

Два регістри збереження потрібні, якщо пересилання вхідного коду в ЦАП та установка вихідного аналогового сигналу, що відповідає цьому слову, повинні бути розділені в часі. Подача на вхід асинхронного скиду CLR сигналу низького рівня призводить до занулення першого регістру, і відповідно вихідної напруги ЦАП.

Приклад блок-схеми підключення 12-розрядного ЦАП МАХ507 до 16-розрядного мікропроцесора наведений на рис.15. Процесор надсилає вхідний код в ЦАП як у комірку пам’яті даних. Спочатку з шини адреса-дані поступає адреса ЦАП, яка фіксується регістром по команді з виходу ALE мікропроцесора і, пізніше, після дешифрації активізує активізує вхід CS ЦАПю Услід за цим МП подає на шину адреса-дані вхідний код ЦАП, а потім сигнал запису на вхід WR (див. рис.14,б).

 

Рис.15. Підключення ЦАП до мікропроцесору

 

 

При послідовному наростанні значень вхідного цифрового сигналу D(t) від 0 до 2N-1 через одиницю молодшого розряду (ОМР) вихідний сигнал Uвих(t) утворює східчасту криву. Таку залежність звичайно називають характеристикою перетворення ЦАП. У відсутності апаратних похибок середні точки розміщені на ідеальній прямій 1 рис.16, якій відповідає ідеальна характеристика перетворення.

 

Рис.16. Ідеальна характеристика перетворення

Реальна характеристика перетворення може суттєво відрізнятись від ідеальної розмірами та формою ступенів а також розміщенням на площині координат. Для кількісного опису цих розходжень існує цілий ряд параметрів.

Статичні параметри

Роздільна здатність – прирощення Uвих при перетворенні суміжних зна¬чень Dj, що відрізняються на ОМР. Це прирощення є шагом квантування. Для двій¬кових кодів перетворення номінальне значення шагу квантування h = Uпш/(2N-1), де Uпш – номінальна максимальна вихідна напруга ЦАП (напруга повної шкали), N – розрядність ЦАП. Чим більша розрядність перетворювача, тим вища його роздільна здатність.

Похибка повної шкали – відносна різниця між реальним та ідеальним значеннями границі шкали перетворення при відсутності зміщення нуля:

 

пш = пш 100%/Uпш.

 

Є мультиплікативною складовою повної похибки. Інколи її указують відповідним числом ОМР.

Похибка зміщення нуля – значення Uвих, коли вхідний код ЦАП дорівнює нулю. Є адитивною складовою повної похибки. Звичайно указується в мілівольтах або в процентах від повної шкали:

см = см 100%/Uпш.

Нелинійність – максимальне відхилення реальної характеристики пере-тво¬рення Uвих(D) від оптимальної (лінія 2 на рис.16). Оптимальна характеристика знаходиться емпірично так, щоб мінімізувати значення похибки нелинійності. Нелинійність звичайно визначається у відносних одиницях, але у довідкових даних наводиться також і в ОМР. Для характеристики, наведеної на рис.16

л = j 100%/Uпш.

Диференційна нелинійність – максимальна зміна (з урахуванням знаку) відхилення реальної характеристики перетворення Uвих(D) від оптимальної при переході від одного значення вхідного коду до іншого суміжного значення. Звичайно визначається у відносних одиницях або ОМР. Для характеристики, наведеної на рис.16:

дл = (j + (j+1))100%/Uпш.

Монотонність характеристики перетворення – зростання або зменшення вихідної напруги ЦАП Uвих при зростанні або зменшенні вхідного кода D. Якщо диференційна нелинійність більша за відносний шаг квантування h/Uпш, то характеристика перетворення немонотонна.

Температурна нестабільність ЦАП характеризується температурними коефіцієнтами похибки повної шкали та похибки зміщення нуля.

Похибка повної шкали та зміщення нуля можуть бути усунені калібровкою (підстройкою). Похибки нелинійності простими засобами усунути неможливо.

Динамічні параметри

Динамічні параметри ЦАП визначаються по зміні вхідного сигналу при стрибковій зміні вхідного коду, звичайно від значення „усі нулі” до значення „усі одиниці” (рис.17).

 

Рис.17. Динамічні параметри

Час встановлення – інтервал часу від моменту змінення вхідного коду (на рис.17 t=0) до моменту, коли у останній раз виконується рівність

Uвих – Uпш = d/2.

Швидкість наростання –максимальна швидкість зміни Uвих(t) під час перехідного процесу. Визначається як відношення прирощення Uвих до часу , за який це прирощення здійснилось. звичайно вказується у технічних характеристиках ЦАП з вихідним сигналом у вигляді напруги. У ЦАП з вихідним сигналом у вигляді струму цей параметр у великій мірі залежить від типу вихідного операційного підсилювача.

Для перемножуючих ЦАП з виходом у вигляді напруги часто зазначається частота одиничного підсилення та смуга пропущення по потужності. які в основному визначаються властивостями вихідного підсилювача.

Шуми ЦАП

Шум на виході ЦАП може з’являтись по різним причинам, що викликаються фізичними процесами у напівпровідникових пристроях. Для оцінки якості ЦАП з високою роздільною здатністю прийнято використовувати поняття середньоквадратичного значення шуму. Він вимірюється звичайно у нВ/(Гц)0,5 в заданій смузі частот.

Викиди (імпульсні перешкоди) – круті короткі сплески або провали у вихідній напрузі, що виникають під час зміни значень вхідного коду за рахунок несинхронності замикань та розмикань аналогових ключів у різних розрядах ЦАП. Наприклад, якщо при переході від значення коду 011...111 до значення 100...000 ключ самого старшого розряду ЦАП з сумуванням вагових струмів відкриється пізніше, ніж закроються ключі молодших розрядів, то на виході ЦАП