Цифро-аналогові перетворювачі

 

 

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для перетворення числа у вигляді двійкового коду у напругу або струм, пропорційний значенню цифрового коду. Схемотехніка ЦАП дуже різноманітна. На рис.1 показана класифікація схем ЦАП за схемотехнічними показниками.

 

Рис.1 Класифікація схем ЦАП

 

Окрім того, інтегральні мікросхеми ЦАП мають класифікацію за такими ознаками:

• По вигляду цифрового сигналу: або з токовим виходом, або у вигляді напруги.

• По типу цифрового інтерфейсу: з послідовним введенням, або з паралельним введенням вхідного коду.

• По кількості ЦАП на кристалі: одно канальні або багатоканальні.

• По швидкодії: помірної або високої швидкодії.

 

 

ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією

Дуже часто ЦАП входить у склад мікропроцесорних систем. В такому випадку, якщо не потрібна висока швидкодія, цифро-аналогове перетворення може бути дуже просто здійснене за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Схема ЦАП з ШІМ наведена на рис.2.

Вихід ШІМ-модулятора керує роботою ключа S. В залежності від коду формується імпульс ШІМ, тривалість якого прямо пропорційна значенню цифрового коду. Схема формування показана на рис.3. Код на виході лічильника лінійно зростає з кожним імпульсом тактової частоти Fтакт. Поки цей код менший за двійковий код, на виході.

 

Рис.2. а) Схема послідовного ЦАП; б) діаграма напруг.

 

Рис.3. Схема формування коду

 

Схеми порівняння кодів (СПК) буде сигнал логічної одиниці. Як тільки код лічильника зрівнюється з війковим кодом, на виході СПК встановлюється логічний нуль. Цей імпульс керує ключем S. Фільтр у схемі рис.2а виділяє середнє значення напруги, як це показане на рис.2б. Ця схема забезпечує майже ідеальну лінійність перетворення і не має прецизійних елементів. Її головний недолік – низька швидкодія.

ЦАП на перемикаємих конденсаторах

У попередній схемі потрібно 2N тактів імпульсів синхронізації. В схемі рис.4 для цього потрібно значно менше тактів.

 

Рис.4. Схема ЦАП на перемикаємих конденсаторах

В цій схемі ємності конденсаторів С1 та С2 рівні. Перед початком циклу перетворення конденсатор С2 розряджається ключем S Вхідне війкове слово задається у вигляді послідовного коду. Його перетворення здійснюється послідовно, починаючи з молодшого розряду d0. кожен такт перетворення складається з двох полу тактів. В першому полутакті конденсатор С1 заряджається до опорної напруги Uоп при d0=1 за допомогою замикання ключа S1, або розряджається до нуля при d0=0 за допомогою замикання ключа S2. На другому полу такті при розімкнутих ключах S1, S2 та S4 замикається ключ S3, що викликає ділення заряду навпіл між С1 та С2. В результаті одержимо:

U1(0) = Uвих(0) = (d0/2)Uоп.

Доки на конденсаторі С2 зберігається заряд, процедура зарядження конденсатора С1 повинна бути повторна для наступного розряду d1 вхідного слова. Після нового циклу перезаряджання напруга на конденсаторах буде

Uвих(1) = U1(1) = [(d1 + d0/2)Uоп]/2 = [(2d1 + d0)Uоп]/

Таким же чином виконується перетворення для інших розрядів слова. В результаті для N-розрядного ЦАП вихідна напруга буде дорівнювати

Uвих(N-1) + U(1) =  =  .

Якщо потрібно зберегти результат перетворення будь-який тривалий час, до виходу схеми треба підключити ПВЗ. Після закінчення циклу перетворення потрібно провести цикл вибирання, перевести ПВЗ в режим збереження і знову почати перетворення.

Таким чином ця схема виконує перетворення вхідного коду за 2N квантів, що значно менше, ніж у ЦАП з ШІМ. Тут потрібно лише два узгоджених конденсатори невеликої ємності. Конфігурація аналогової частини схеми не залежить від розрядності перетворюваного коду. Але по швидкодії послідовний ЦАП значно уступає паралельним ЦАП, що обмежує сферу його застосування.

 

 

ЦАП з сумуванням вагових струмів

Більшість схем паралельних ЦАП засновані на сумуванні струмів, сила кожного з яких пропорційна вазі цифрового війкового розряду, причому повинні сумуватись тільки суми розрядів, значення яких дорівнює 1. Наприклад, потрібно перетворити двійковий 4-розрядний код в аналоговий сигнал струму. У старшого значущого розряду (СЗР) вага дорівнює 23 = 8, у третього 22 = 4, у другого 21 = 2 і у молодшого (МЗР) 20 = 1. Якщо вага МЗР дорівнює струму I1 = 1 мА, то I2 = 2 мА, I3 = 4 мА, I4 = 8 мА. Наприклад, коду 1001 відповідає струм Iвих = 9 мА. Тому потрібна схема, що забезпечує генерацію та комутацію по заданих законах точних вагових струмів. Найпростіша схема показана на рис.5.

Опори резисторів вибирають так, щоб при замкнених ключах через них протікав струм відповідний вазі розряду Ключ повинен бути замкнений тоді, коли відповідний йому біт вхідного слова дорівнює одиниці. Вихідний струм визначається співвідношенням

Iвих =   = UопD/R0.

 

Рис.5. Цап з сумуванням вихідних струмів

 

При високій розрядності ЦАП резистори, що задають струм, повинні бути погоджені з високою точністю. Найбільш жорсткі вимоги по точності висуваються к резисторам старших розрядів, оскільки розкид в них не повинен перевищувати струму молодшого розряду. Тому розкид опору у к-му розряді повинен бути