ЦАП– цифро-аналогові перетворювачі – пристрої, призначені для перетворення дискретного (цифрового) сигналу на безперервний (аналоговий) сигнал. Перетворення проводиться пропорційно до двійкового коду сигналу.

Класифікація ЦАП

На вигляд вихідного сигналу: з струмовим виходом та виходом у вигляді напруги;

За типом цифрового інтерфейсу: з послідовним введенням та з паралельним введенням вхідного коду;

За кількістю ЦАП на кристалі: одноканальні та багатоканальні;

За швидкодією: помірної швидкодії та високої швидкодії.

Основні параметри ЦАП:

1. N – розрядність.

2. Максимальний вихідний струм.

4. Розмір опорного напруги.

5. Роздільна здатність.

6. Рівні керуючого напруги (ТТЛ чи КМОП).

7. Похибки перетворення (похибка усунення нуля на виході, абсолютна похибка перетворення, нелінійність перетворення, диференційна нелінійність). 8. Час перетворення - інтервал часу з моменту пред'явлення (подачі) коду до появи вихідного сигналу.

9. Час встановлення аналогового сигналу

Основними елементами ЦАП є:

резистивні матриці (набір дільників з певним ТКС, з певним відхиленням 2%, 5% і менше) можуть бути вбудовані в ІМС;

Ключі (на біполярних чи МОП-транзисторах);

Джерело опорної напруги.

Основні схеми побудови ЦАП.

21. Ацп. Загальні положення. Частота дискретизації. Класифікація ацп. Принцип роботи ацп паралельної дії.

По швидкодії АЦП ділять на:

1. АЦП паралельного перетворення (паралельні АЦП) – швидкодіючі АЦП, мають складне апаратне використання одиниці ГГц.

2. АЦП послідовного наближення (послідовного рахунку) до 10МГц.

3. Інтегруючі АЦП сотні Гц.  дозвіл N = 16-24 біт, Fg = десятки

4. Сигма-дельта АЦП одиниці МГц.  дозвіл N = 16-24 біт, Fg = сотні Гц

22. Ацп послідовного рахунку. Принцип дії.

23. АЦП послідовних наближень. Принцип дії.

Цей код з виходу РПП подається на ЦАП, який видає відповідну напругу 3/4Uвхmах, яка порівнюється з Uвх (на СС) і результат записується в той же розряд четвертим тактовим імпульсом. Далі процес триває доти, доки не будуть проаналізовані всі розряди.

Час перетворення АЦП послідовного наближення:

tпр = 2nTG, де TG - період проходження імпульсів генератора; n - розрядність АЦП.

Такі АЦП поступаються швидкодією АЦП паралельного типу, проте вони дешевші і споживають меншу потужність. Приклад: 1113 ПВ1.

24. Принцип роботи АЦП інтегруючого типу.

В основі принципу роботи інтегруючого АЦП лежать два основні принципи:

1. Перетворення вхідної напруги на частоту або тривалість (час) імпульсів

Uвх → f (ПНЧ – перетворювач напруга-частота)

2. Перетворення частоти або тривалості (часу) на цифровий код

f → N; T→ N.

Основну похибку вносять ПНЧ.

АЦП цього типу здійснюють перетворення на два етапи.

На першому етапі вхідний аналоговий сигнал інтегрується і це проінтегроване значення перетворюється на імпульсну послідовність. Частота проходження імпульсів у цій послідовності або їх тривалість буває промодулирована проінтегрованим значенням вхідного сигналу.

З другого краю етапі ця послідовність імпульсів перетворюється на цифровий код - вимірюється її частота чи тривалість імпульсів.

Цифро-аналоговий перетворювач(ЦАП) – пристрій, який перетворює вхідний цифровий сигнал (код) на аналоговий.

ЦАП широко використовується там, де необхідно за допомогою цифрової інформації, що видається ЕОМ, керувати аналоговими пристроями, наприклад, здійснювати переміщення клапана, пропорційні до розрахованого значення цифрового сигналу. ЦАП використовуються для узгодження ЕОМ (ЦУ) з аналоговими пристроями, як внутрішні вузли АЦП і цифрових вимірювальних приладів. У складі аналого-цифрових перетворювачів ЦАП служить для формування аналогового сигналу (струму або напруги), з яким порівнюється сигнал, що перетворюється.

Основною характеристикою ЦАП є роздільна здатність, що визначається числом розрядів n. Теоретично ЦАП, що перетворює n-розрядні двійкові коди, має забезпечити 2 nрізних значень вихідного сигналу з роздільною здатністю (2 n- 1)-1. Абсолютне значення мінімального вихідного кванта напруги визначається як граничним прийнятим числом 2 n– 1, так і максимальною вихідною напругою ЦАП, що називається напругою шкали Uшк. Так, при 12 розрядах кількість незалежних квантів (сходів) вихідної напруги ЦАП становить 212 – 1 = 0,0245%. Вибране за допомогою опорного джерела напруга шкали Uшк = 10B, розділене цього число квантів, дає абсолютну роздільну здатність ЦАП

D x = Uшк/(2 n- 1) = 103 мB / (212 - 1) = 2,45 мВ.

Характеристика перетворення(ХП) ЦАП- Сукупність значень вихідний аналогової величини хізалежно від вхідного коду б i.

Характеристика перетворення (або передавальна характеристика) ЦАП зображено на рис. 3.15.

Мал. 3.15. Передавальна характеристика ЦАП; A- Лінійність; B- Нелінійність; C- Немонотонність; D- вихідний сигнал; E- Пряма, що з'єднує ідеальні значення рівнів вихідного сигналу; dпш – похибка повної шкали

Відмінність реального значення роздільної здатності від теоретичного обумовлено похибками вузлів та шумами ЦАП. Точність ЦАП визначається значеннями абсолютної похибки приладу, нелінійністю та диференціальною нелінійністю.

Абсолютна похибка dшк є відхиленням значення вихідної напруги (струму) від номінального розрахункового, що відповідає кінцевій точці характеристики перетворення (див. рис. 3.15). Абсолютна похибка зазвичай вимірюється в одиницях молодшого розряду (МЗР).

Нелінійність dл характеризує ідентичність мінімальних збільшень вихідного сигналу у всьому діапазоні перетворення і визначається як найбільше відхилення вихідного сигналу від прямої лінії абсолютної точності, проведеної через нуль та точку максимального значення вихідного сигналу. Значення нелінійності має перевищувати ±0,5 одиниці МЗР.

Диференційна нелінійність dл.диф характеризує ідентичність сусідніх прирощень сигналу. Її визначають як мінімальну різницю похибки нелінійності двох сусідніх квантів у вихідному сигналі. Значення диференціальної нелінійності має перевищувати подвоєне значення похибки нелінійності. Якщо значення dл.диф більше одиниці МЗР, перетворювач вважається немонотонним, тобто. на його виході вихідний сигнал не може нарощуватись рівномірно при рівномірному зростанні вхідного коду.

Немонотонність деяких квантах дає зменшення вихідного сигналу при наростанні вхідного коду.

Апаратурна похибка, що визначається нестабільністю джерела опорної напруги, похибкою ключів, резистивних матриць та вихідних операційних підсилювачів, називається інструментальною похибкою. Основними факторами, що викликають виникнення похибок елементів є: технологічний розкид параметрів; вплив змін довкілля (переважно температури); зміна параметрів у часі (старіння); впливу зовнішніх та внутрішніх шумів та перешкод.

Усі інструментальні похибки виявляються, переважно, у таких видах:

а) усунення нуля, що характеризує паралельний зсув передавальної характеристики ЦАП від усередненої прямої (викликається напругою зміщення нуля та ненульовим вхідним струмом ОУ, а також залишковими параметрами ключів);

б) зміни коефіцієнта передачі, що характеризує відхилення крутості реальної передавальної характеристики від усередненої прямої;

в) відхилення передавальної характеристики перетворювача від ідеальної прямої (така нелінійність перетворення проявляється як неідентичність прирощень вихідного сигналу функції від вхідного коду).

До динамічних характеристик ЦАП належать часові параметри та максимальна частота перетворення.

Тимчасові параметри визначають швидкодію перетворювачів. Розрізняють три часові параметри: крок (період) квантування D t, час перетворення (час встановлення вихідного сигналу) tпр, тривалість циклу перетворення tц.

Крок (період) квантування D t- Інтервал часу між двома послідовними перетвореннями. Значення, обернене до періоду квантування 1/D t = fкв, називається частотою квантування.

Час встановлення вихідного сигналу ЦАП tпр – час від моменту зміни коду на входах ЦАП до моменту, коли значення вихідної аналогової величини відрізняється від встановленого на задану величину (рис. 3.16).

Мал. 3.16. Визначення часу tпр перетворення ЦАП

Тривалість циклу перетворення tц – час між моментом подачі вхідного коду та видачею вихідного аналогового сигналу ( tц = tпр). Визначається, в основному, циклограмами та часовими діаграмами, що описують роботу інформаційно-обчислювальних пристроїв та систем з наявними перетворювачами.

Максимальна частота перетворення – найбільша частота дискретизації, коли параметри ЦАП відповідають заданим значенням.

Робота ЦАП часто супроводжується специфічними перехідними імпульсами, які є гострими піками великої амплітуди у вихідному сигналі, що виникають через різницю часів відкривання і закривання аналогових ключів в ЦАП. Особливо викиди проявляються, коли замість нуля у старшому значному розряді та одиниць у молодших розрядах коду надходить одиниця у старший значний розряд (ЗЗР) та код «усі нулі» до МЗР. Наприклад, якщо вхідний код 011...111 змінюється кодом 10...000, а ключ старшого ЦАП відкривається пізніше, ніж закриваються ключі молодших, то збільшення вихідного сигналу всього на один квант може супроводжуватися імпульсом з амплітудою 0,5 Uшк. Тривалість цього піку буде відповідати запізненню зміни стану ключів.

В даний час, залежно від значень параметрів, виділяють прецизійні та швидко діючі ЦАП. Прецизійні ЦАП мають dл = 0,1%, а швидкодіючі tвуст = 100нс.

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) - це пристрій перетворення цифрового коду в аналоговий сигнал за величиною, пропорційної значенню коду.

ЦАП застосовуються для зв'язку цифрових систем керування з пристроями, які управляються рівнем аналогового сигналу. Також, ЦАП є складовою у багатьох структурах аналого-цифрових пристроїв та перетворювачів.

ЦАП характеризується функцією перетворення. Вона пов'язує зміну цифрового коду зі зміною напруги чи струму. Функція перетворення ЦАП виражається так

U вих- значення вихідної напруги, що відповідає цифровому коду N вх, що подається на входи ЦАП.

U мах- максимальна вихідна напруга, що відповідає подачі на входи максимального коду N мах

Величину До цап, що визначається ставленням , називають коефіцієнтом цифроаналогового перетворення. Незважаючи на ступінчастий вид характеристики, пов'язаний із дискретною зміною вхідної величини (цифрового коду), вважається, що ЦАП є лінійними перетворювачами.

Якщо величину N вхуявити через значення ваг його розрядів, функцію перетворення можна виразити так

, де

i- Номер розряду вхідного коду N вх; A і- значення i-го розряду (нуль чи одиниця); U i - вага i-го розряду; n – кількість розрядів вхідного коду (кількість розрядів ЦАП).

Вага розряду визначається для конкретної розрядності, і обчислюється за такою формулою

U ОП -опорна напруга ЦАП

Принцип роботи більшості ЦАП - це підсумовування часток аналогових сигналів (ваги розряду), залежно від вхідного коду.

ЦАП можна реалізувати за допомогою підсумовування струмів, підсумовування напруги і розподілу напруги. У першому та другому випадку відповідно до значень розрядів вхідного коду, підсумовуються сигнали генераторів струмів та джерел Е.Д.С. Останній спосіб є керованим кодом дільник напруги. Два останні способи не знайшли поширення у зв'язку з практичними труднощами їх реалізації.

Способи реалізації ЦАП із зваженим підсумовуванням струмів

Розглянемо побудову найпростішого ЦАП із виваженим підсумовуванням струмів.

Цей ЦАП складається з набору резисторів та набору ключів. Число ключів і число резисторів дорівнює кількості розрядів nвхідний код. Номінали резисторів вибираються відповідно до двійкового закону. Якщо R=3 Ом, то 2R= 6 Ом, 4R=12 Ом, тощо, тобто. кожен наступний резистор більший за попередній у 2 рази. При приєднанні джерела напруги та замиканні ключів через кожен резистор потече струм. Значення струмів по резисторах завдяки відповідному вибору їх номіналів теж будуть розподілені за двійковим законом. При поданні вхідного коду N вхвключення ключів здійснюється відповідно до значення відповідних їм розрядів вхідного коду. Ключ замикається, якщо відповідний розряд дорівнює одиниці. При цьому у вузлі сумуються струми, пропорційні вагам цих розрядів і величина струму, що випливає з вузла, в цілому буде пропорційна значенню вхідного коду N вх.

Опір резисторів матриці вибирають досить великий (десятки ком). Тому більшість практичних випадків навантаження ЦАП грає роль джерела струму. Якщо на виході перетворювача необхідно отримати напругу, то на виході такого ЦАП встановлюється перетворювач "струм-напруга", наприклад, на операційному підсилювачі

Однак при зміні коду на входах ЦАП змінюється величина струму, що відбирається від джерела опорної напруги. Це є головним недоліком такого способу побудови ЦАП . Такий метод побудови можна використовувати лише у тому випадку, якщо джерело опорної напруги буде з низьким внутрішнім опором. В іншому випадку в момент зміни вхідного коду змінюється струм, що відбирається у джерела, що призводить до зміни падіння напруги на його внутрішньому опорі і, у свою чергу, до додаткового напряму не пов'язаного зі зміною коду зміни вихідного струму. Виключити цей недолік дозволяє структура ЦАП з ключами, що перемикаються.

У такій структурі є два вихідні вузли. Залежно від значення розрядів вхідного коду відповідні ключі підключаються до вузла, пов'язаного з виходом пристрою, або до іншого вузла, який найчастіше заземлюється. При цьому через кожен резистор матриці струм тече постійно, незалежно від положення ключа, а величина струму, споживаного джерела опорної напруги, постійна.

Загальним недоліком обох розглянутих структур є велике співвідношення між найменшим та найбільшим номіналом резисторів матриці. Разом з тим, не дивлячись на велику різницю номіналів резисторів необхідно забезпечувати однакову абсолютну точність припасування як найбільшого, так і найменшого за номіналом резистора. В інтегральному виконанні ЦАП при числі розрядів понад десять це забезпечити досить важко.

Від усіх зазначених вище недоліків вільні структури на основі резистивних R-2Rматриць

При такій побудові резистивної матриці струм у кожній наступній паралельній гілки менше ніж у попередній двічі. Наявність тільки двох номіналів резисторів у матриці дозволяє досить просто здійснювати припасування їх значень.

Вихідний струм кожної з представлених структур пропорційний одночасно як величині вхідного коду, а й величині опорного напруги. Часто кажуть, що він пропорційний добутку цих двох величин. Тому такі ЦАП називають множинними. Такими властивостями володітимуть усі ЦАП,у яких формування зважених значень струмів, відповідних ваг розрядів, проводиться за допомогою резистивних матриць.

Крім використання за прямим призначенням множаючі ЦАП використовуються як аналого-цифрові перемножувачі, як кодокерованих опорів і провідностей. Вони широко застосовуються як складові елементи при побудові підсилювачів, фільтрів, джерел опорних напруг, формувачів сигналів і т.д.

Основні параметри та похибки ЦАП

Основні параметри, які можна побачити у довіднику:

1. Число розрядів – кількість розрядів вхідного коду.

2. Коефіцієнт перетворення – відношення збільшення вихідного сигналу до збільшення вхідного сигналу для лінійної функції перетворення.

3. Час встановлення вихідної напруги або струму – інтервал часу від моменту заданої зміни коду на вході ЦАП до моменту, при якому вихідна напруга або струм остаточно увійдуть до зони шириною молодшого розряду ( МЗР).

4. Максимальна частота перетворення – найбільша частота зміни коду, коли задані параметри відповідають встановленим нормам.

Існують інші параметри, що характеризують виконання ЦАП та особливості його функціонування. Серед них: вхідна напруга низького і високого рівня, струм споживання, діапазон вихідної напруги або струму.

Найважливішими параметрами для ЦАП є, які визначають його точнісні характеристики.

Точнісні характеристики кожного ЦАП , передусім визначаються нормованими за величиною похибками.

Похибки поділяються на динамічні та статичні. Статичними похибками називають похибки, що залишаються після завершення всіх перехідних процесів, пов'язаних зі зміною вхідного коду. Динамічні похибки визначаються перехідними процесами на виході ЦАП, що виникли внаслідок зміни вхідного коду.

Основні типи статичних похибок ЦАП:

Абсолютна похибка перетворення у кінцевій точці шкали – відхилення значення вихідної напруги (струму) від номінального значення, що відповідає кінцевій точці шкали функції перетворення. Вимірюється одиницях молодшого розряду перетворення.

Напруга усунення нуля на виході – напруга постійного струму на виході ЦАП при вхідному коді, що відповідає нульовому значенню вихідної напруги. Вимірюється у одиницях молодшого розряду. Похибка коефіцієнта перетворення (масштабна) - пов'язана з відхиленням нахилу функції перетворення від необхідного.

Нелінійність ЦАП – відхилення реальної функції перетворення від обумовленої прямої лінії. Є найгіршою похибкою з якою важко боротися.

Похибки нелінійності у випадку поділяють на два типу – інтегральні і диференціальні.

Похибка інтегральної нелінійності – максимальне відхилення реальної характеристики ідеальної. Практично у своїй розглядається усереднена функція перетворення. Визначають цю похибку у відсотках кінцевого діапазону вихідний величини.

Диференціальна нелінійність пов'язані з неточністю завдання ваг розрядів, тобто. з похибками елементів дільника, розкидом залишкових параметрів ключових елементів, генераторів струмів тощо.

Способи ідентифікації та корекції похибок ЦАП

Бажано, щоб корекція похибок проводилося при виготовленні перетворювачів (технологічне припасування). Однак часто вона бажана і при використанні конкретного зразка. БІСу тому чи іншому пристрої. У цьому випадку корекція проводиться введенням у структуру пристрою. БІС ЦАПдодаткові елементи. Такі методи одержали назву структурних.

Найскладнішим процесом є забезпечення лінійності, оскільки вони визначаються пов'язаними параметрами багатьох елементів та вузлів. Найчастіше здійснюють припасування тільки зміщення нуля, коефіцієнта

Точнісні параметри, що забезпечуються технологічними прийомами, погіршуються при впливі на перетворювач різних факторів, що дестабілізують, в першу чергу – температури. Потрібно пам'ятати і про фактор старіння елементів.

Похибка усунення нуля та масштабна похибка легко коригуються на виході ЦАП. Для цього вихідний сигнал вводять постійне зміщення, що компенсує зсув характеристики перетворювача. Необхідний масштаб перетворення встановлюють, або коригуючи коефіцієнт посилення, що встановлюється на виході підсилювача перетворювача, або підлаштовуючи величину опорної напруги, якщо ЦАП є множинним.

Методи корекції з тестовим контролем полягають в ідентифікації похибок ЦАП на всій множині допустимих вхідних впливів та додаванням, розрахованих на основі цього поправок, до вхідної або вихідної величини для компенсації цих похибок.

За будь-якого методу корекції з контролем за тестовим сигналом передбачаються такі дії:

1. Вимірювання характеристики ЦАП на достатній для ідентифікації похибок безлічі тестових впливів.

2. Ідентифікація похибок обчисленням їх відхилень за результатами вимірів.

3. Обчислення коригувальних поправок для перетворюваних величин або необхідних коригувальних впливів на блоки, що коригуються.

4. Проведення корекції.

Контроль може проводитися один раз перед встановленням перетворювача пристрою за допомогою спеціального лабораторного вимірювального обладнання. Може проводитися і за допомогою спеціалізованого обладнання, вбудованого в пристрій. При цьому контроль, як правило, проводиться періодично, весь той час, поки перетворювач не бере участі безпосередньо в роботі пристрою. Така організація контролю та корекції перетворювачів може здійснюватися під час його роботи у складі мікропроцесорної вимірювальної системи.

Основний недолік будь-якого методу наскрізного контролю - великий час контролю поряд з різнорідністю і великим обсягом апаратури, що використовується.

Визначені тим чи іншим способом величини поправок зберігаються зазвичай у цифровій формі. Корекція похибок з урахуванням цих поправок може проводитися як в аналоговій, так і цифровій формі.

При цифровій корекції поправки додаються з урахуванням їхнього знака до коду ЦАП. В результаті на вхід ЦАП надходить код, при якому на його виході формується потрібне значення напруги або струму. Найбільш проста реалізація такого способу корекції складається з коригованого ЦАП,на вході якого встановлено цифровий пристрій ( ЗУ). Вхідний код відіграє роль адресного. У ЗУза відповідними адресами занесені, заздалегідь розраховані з урахуванням поправок, значення кодів, що подаються на ЦАП, що коригується.

При аналоговій корекції, крім основного ЦАП, використовується ще один додатковий ЦАП. Діапазон його вихідного сигналу відповідає максимальній величині похибки ЦАП, що коригується. Вхідний код одночасно надходить на входи ЦАП, що коригується, і на адресні входи ЗУпоправок. З ЗУпоправок вибирається відповідна даного значення вхідного коду поправка. Код поправки перетворюється на пропорційний йому сигнал, який підсумовується з вихідним сигналом коригованого ЦАП. Через небагато необхідного діапазону вихідного сигналу додаткового ЦАП порівняно з діапазоном вихідного сигналу коригованого ЦАП власними похибками першого нехтують.

Нерідко виникає необхідність проведення корекції динаміки роботи ЦАП.

Перехідна характеристика ЦАП при зміні різних кодових комбінацій буде різною, тобто – різним буде час встановлення вихідного сигналу. Тому при використанні ЦАП необхідно враховувати максимальний час встановлення. Однак у ряді випадків вдається коригувати поведінку передавальної характеристики.

Особливості застосування БІС ЦАП

Для успішного застосування сучасних БІСЦАП недостатньо знати перелік основних характеристик і основні схеми їх включення.

Істотний вплив на результати застосування БІСЦАП виконує експлуатаційні вимоги, обумовлені особливостями конкретної мікросхеми. До таких вимог відносяться не тільки використання допустимих вхідних сигналів, напруги джерел живлення, ємності та опору навантаження, а й виконання черговості включення різних джерел живлення, розділення ланцюгів підключення різних джерел живлення та загальної шини, застосування фільтрів тощо.

Для прецизійних ЦАП особливого значення набуває вихідна напруга шуму. Особливість проблеми шуму в ЦАП полягає у наявності на його виході сплесків напруги, викликаних перемиканням ключів усередині перетворювача. За амплітудою ці сплески можуть досягати кількох десятків значень ваг МЗРі створювати труднощі в роботі наступних ЦАП пристроїв обробки аналогових сигналів. Вирішенням проблеми придушення таких сплесків є використання на виході ЦАП пристроїв вибірки-зберігання ( УВХ). УВХуправляється від цифрової частини системи, яка формує нові кодові комбінації на вході ЦАП. Перед подачею нової кодової комбінації УВХпереводиться в режим зберігання, розмикаючи ланцюг передачі аналогового сигналу на вихід. Завдяки цьому сплеск вихідної напруги ЦАП не потрапляє на висновок УВХ, яке потім переводиться в режим стеження, повторюючи вихідний сигнал ЦАП.

Спеціальна увага при побудові ЦАП на базі БІСнеобхідно приділяти вибору операційного підсилювача, службовця перетворення вихідного струму ЦАП в напругу. При поданні вхідного коду ЦАП на виході ОУбуде діяти помилка DU, обумовлена ​​його напругою зміщення та рівна

,

де U см- Напруга зміщення ОУ; R ос- Величина опору в ланцюгу зворотного зв'язку ОУ; R м- Опір резистивної матриці ЦАП (вихідний опір ЦАП), що залежить від величини поданого на його вхід коду.

Оскільки відношення змінюється від 1 до 0, помилка зумовлена U см, змінюється в межах (1...2)U см. впливом U смнехтують при використанні ОУ,у якого .

Внаслідок великої площі транзисторних ключів у КМОП БІСістотна вихідна ємність БІС ЦАП (40...120 пФ залежно від величини вхідного коду). Ця ємність істотно впливає на час встановлення вихідної напруги ОУдо необхідної точності. Для зменшення цього впливу R осшунтують конденсатором З ос.

У ряді випадків на виході ЦАП необхідно отримувати двополярну вихідну напругу. Цього можна досягти введенням на виході зміщення діапазону вихідної напруги, а для множать ЦАП перемиканням полярності джерела опорної напруги.

Слід звернути увагу на те, що якщо ви використовуєте інтегральний ЦАП , що має число розрядів більше, ніж вам потрібно, то входи невикористовуваних розрядів підключають до земляної шини, однозначно визначаючи на них рівень логічного нуля. Причому для того, щоб працювати по можливості з більшим діапазоном вихідного сигналу ВІС ЦАП за такі розряди приймають розряди, починаючи з найменшого.

Один з практичних прикладів застосування ЦАП це формувачі сигналів різної форми. Зробив невелику модель у протеусі. За допомогою ЦАП керованого МК (Atmega8, хоча можна зробити і Tiny), формуються сигнали різної форми. Програма написана на Сі у CVAVR. Після натискання кнопки сигнал, що формується, змінюється.

БІС ЦАП DAC0808 National Semiconductor,8 –розрядний, високошвидкісний, включена згідно з типовою схемою. Так як вихід у нього струмовий, за допомогою підсилювача, що інвертує, на ОУ перетворюється в напругу.

У принципі можна навіть такі цікаві постаті, щось нагадує правда? Якщо вибрати розрядність більше, то вийде більш плавні

Список літератури:
1. Бахтіяров Г.Д., Малінін В.В., Школін В.П. Аналого-цифрові перетворювачі / Под ред. Г.Д.Бахтіярова - М.: Рад. радіо. - 1980. - 278 с.: іл.
2. Проектування аналого-цифрових контрольно-керуючих мікропроцесорних систем.
3. О.В. Шишів. - Саранськ: Вид-во Мордов. ун-ту 1995. - с.

Нижче ви можете завантажити проект у

Найпростішим цифроаналоговим перетворювачем (ЦАП) є однорозрядний перетворювач. Як такого ЦАП може бути простий підсилювач-обмежувач, якою можна застосувати . Особливо добре підійде виконаний за КМОП технологією, так як у даній технології вихідні струми одиниці і нуля рівні. такого цифро-аналогового перетворювача наведено малюнку 1.

Рисунок 1. Принципова схема однорозрядного цифро-аналогового перетворювача (ЦАП)

Однорозрядний ЦАП перетворює на аналогову форму знак числа. Для цифро-аналогового перетворення на дуже високій частоті дискретизації, що багато разів перевищує частоту Котельникова, такого перетворювача цілком достатньо, однак, у більшості випадків для якісного цифро-аналогового перетворення потрібна більша кількість розрядів. Відомо, що двійкове число описується такою формулою:

(1)

Для перетворення цифрового двійкового коду в напругу можна скористатися цією формулою безпосередньо, тобто застосувати аналоговий суматор. Струми задаватимемо за допомогою резисторів. Якщо резистори відрізнятимуться один від одного вдвічі, то й струми теж підпорядковуватимуться двійковому закону, як показано у формулі (1). Якщо на виході регістра буде присутня логічна одиниця, то вона буде перетворена на струм, що відповідає двійковому розряду за допомогою резистора. У цьому випадку напруг працюватиме як цифроаналоговий перетворювач. Схема ЦАП, працюючого за описаним принципом, наведено малюнку 2.

Рисунок 2. Принципова схема чотирирозрядного цифро-аналогового перетворювача із підсумовуванням вагових струмів

На схемі, наведеній малюнку 2, потенціал другого висновку дорівнює нулю. Це забезпечується паралельним негативним зворотним зв'язком, який зменшує вхідний опір операційного підсилювача. Коефіцієнт передачі вибирається за допомогою резистора, що включений з виходу на вхід операційного підсилювача. Якщо потрібен одиничний коефіцієнт передачі, це опір має дорівнювати паралельному опору всіх резисторів, підключених до виходів паралельного регістра. В описаному пристрої струм молодшого розряду буде у вісім разів менший за струм старшого розряду. Для зменшення впливу вхідних струмів реального операційного підсилювача між його неінвертуючим входом і загальним проводом включається резистор з опором рівним паралельному включенню решти всіх резисторів.

Враховуючи, що на виході всіх розрядів регістра є або нульова напруга або рівна напруги живлення, на виході операційного підсилювача напруга діятиме в діапазоні від нуля до мінус напруги живлення. Це не завжди зручно. Якщо потрібно, щоб пристрій працював від одного джерела живлення, його потрібно трохи змінити. Для цього на неінвертуючий вхід операційного підсилювача подамо напругу, що дорівнює половині живлення. Його можна отримати від резистивного дільника напруги. Струм нуля і струм одиниці вихідного каскаду регістру у новій схемі повинні збігатися. Тоді на виході операційного підсилювача напруга змінюватиметься в діапазоні від нуля до напруги живлення. Схема цифро-аналогового перетворювача з однополярним живленням наведено малюнку 3.

Рисунок 3. Цифро-аналоговий перетворювач із однополярним харчуванням

У схемі, наведеній малюнку 3, стабільність вихідного струму і напруги забезпечується стабільністю напруги живлення паралельного регістра. Однак зазвичай напруга живлення цифрових мікросхем сильно зашумлена. Цей шум буде присутнім і у вихідному сигналі. У багаторозрядному цифро-аналоговому перетворювачі це небажано, тому його вихідні ключі запитуються від високостабільного малошумного. Нині такі мікросхеми випускаються поруч фірм. Як приклад можна назвати ADR4520 фірми Analog Devices або MAX6220_25 фірми Maxim Integrated.

Під час виготовлення багаторозрядних цифро-аналогових перетворювачів необхідно виготовляти резистори з високою точністю. Раніше це досягалося лазерним припасуванням резисторів. В даний час як джерела струму зазвичай використовуються не резистори, а генератори струму на польових транзисторах. Застосування польових транзисторів дозволяє значно зменшити розміри кристала ЦАП. При цьому збільшення струму транзистори з'єднують паралельно. Це дозволяє досягти високої точності відповідності струмів двійковому закону ( i 0 , 2i 0 , 4i 0 , 8i 0 і т.д.). Висока швидкість перетворення досягається при малому опорі навантаження. Схема перетворювача цифрового коду вихідний струм, що працює за описаним принципом наведена на малюнку 4.

Малюнок 4. Внутрішня схема ЦАП із підсумовуванням струмів

Природно, електронні ключі, показані малюнку 4, теж є польові транзистори. Однак якщо їх показати на схемі, то можна заплутатися, де ключ, а де генератор струму. Так як польовий транзистор може одночасно працювати як генератор струму та електронного ключа, то їх часто об'єднують, а двійковий закон формують за допомогою , як це показано на малюнку 5.

Малюнок 5. Внутрішня схема ЦАП із підсумовуванням однакових струмів

Як приклад мікросхем, де використовується рішення із підсумовуванням струму, можна назвати ЦАП AD7945. У ній підсумовування струмів застосовується формування старших розрядів. Для роботи з молодшими розрядами використовується. Для перетворення вихідного струму в напругу зазвичай застосовується операційний підсилювач, проте його швидкість наростання вихідної напруги істотно впливає на швидкодію цифро-аналогового перетворювача в цілому. Тому схема ЦАП з операційним підсилювачем використовується лише у широкосмугових схемах, таких як перетворення звукового чи телевізійного сигналу.

Рисунок 6. Цифро-аналоговий перетворювач двійковий код-напруга

Література:

Разом із статтею "Цифроаналогові перетворювачі (ЦАП) із підсумовуванням струмів" читають:

http://сайт/digital/R2R/

http://сайт/digital/sigmaadc.php

ЦАП із широтно-імпульсною модуляцією

Послідовний ЦАП на конденсаторах, що перемикаються.

Паралельні ЦАП

• ЦАП із сумуванням вагових струмів

  ЦАП на джерелах струму

  Формування вихідного сигналу у вигляді напруги

  Паралельний ЦАП на конденсаторах, що перемикаються.

  ЦАП із підсумовуванням напруг

Інтерфейси цифро-аналогових перетворювачів

• ЦАП із послідовним інтерфейсом вхідних даних

  ЦАП із паралельним інтерфейсом вхідних даних

Застосування ЦАП

• Обробка чисел, що мають знак

  Перемножники та дільники функцій

  Атенюатори та інтегратори на ЦАП

  Системи прямого цифрового синтезу сигналів

Параметри ЦАП

Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для перетворення числа, визначеного, як правило, у вигляді двійкового коду, напруги або струму, пропорційні значенню цифрового коду. Схемотехніка цифро-аналогових перетворювачів дуже різноманітна. На рис. 1 представлена ​​класифікаційна схема ЦАП за схемотехнічними ознаками. Крім цього, ІМС цифро-аналогових перетворювачів класифікуються за такими ознаками:

• По виду вихідного сигналу: з струмовим виходом та виходом у вигляді напруги

  За типом цифрового інтерфейсу: з послідовним уведенням та з паралельним введенням вхідного коду

  За кількістю ЦАП на кристалі: одноканальні та багатоканальні

  По швидкодії: помірної та високої швидкодії

Мал. 1. Класифікація ЦАП

Цап із сумуванням вагових струмів

Більшість схем паралельних ЦАП засноване на підсумовуванні струмів, сила кожного з яких пропорційна вазі цифрового двійкового розряду, причому повинні сумуватися лише струми розрядів, значення яких рівні 1. Нехай, наприклад, потрібно перетворити двійковий чотирирозрядний код аналоговий сигнал струму. У четвертого, старшого значущого розряду (ЗЗР) вага дорівнюватиме 2 3 =8, у третього розряду – 2 2 =4, у другого – 2 1 =2 і у молодшого (МЗР) – 2 0 =1. Якщо вага МЗР IМЗР = 1 мА, то IЗЗР = 8 мА, а максимальний вихідний струм перетворювача Iвих.макс =15 мА і відповідає коду 11112. Зрозуміло, що коду 1001 2 наприклад буде відповідати Iвих = 9 мА і т.д. Отже, потрібно побудувати схему, що забезпечує генерацію та комутацію за заданими законами точних вагових струмів. Найпростіша схема, що реалізує зазначений принцип, наведено на рис. 3.

З опір резисторів вибирають так, щоб при замкнутих ключах через них протікав струм, що відповідає вазі розряду. Ключ має бути замкнутий тоді, коли відповідний йому біт вхідного слова дорівнює одиниці. Вихідний струм визначається співвідношенням

При високій розрядності ЦАП токозадаючі резистори повинні бути узгоджені з високою точністю. Найбільш жорсткі вимоги по точності пред'являються до резистори старших розрядів, оскільки розкид струмів у них не повинен перевищувати струму молодшого розряду. Тому розкид опору в k-м розряді має бути менше, ніж

R/R=2 – k

З цієї умови випливає, що розкид опору резистора, наприклад, у четвертому розряді не повинен перевищувати 3%, а в 10-му розряді – 0,05% і т.д.

Розглянута схема при всій її простоті має цілий букет недоліків. По-перше, при різних вхідних кодах струм, що споживається від джерела опорної напруги (ІОН), буде різним, а це вплине на величину вихідної напруги ІОН. По-друге, значення опорів вагових резисторів можуть відрізнятися в тисячі разів, а це робить дуже скрутною реалізацію цих резисторів напівпровідникових ІМС. Крім того, опір резисторів старших розрядів багаторазрядних ЦАП може бути порівнянним з опором замкнутого ключа, а це призведе до похибки перетворення. По-третє, у цій схемі до розімкнених ключів прикладається значна напруга, що ускладнює їхню побудову.

Ці недоліки усунуті у схемі ЦАП AD7520 (вітчизняний аналог 572ПА1), розробленому фірмою Analog Devices у 1973 році, яка в даний час є по суті промисловим стандартом (за нею виконано багато серійних моделей ЦАП). Вказана схема представлена ​​на рис. 4. Як ключі тут використовуються МОП-транзистори.

Мал. 4. Схема ЦАП з перемикачами та матрицею постійного імпедансу

У цій схемі завдання вагових коефіцієнтів ступенів перетворювача здійснюють за допомогою послідовного поділу опорної напруги за допомогою резистивної матриці постійного імпедансу. Основний елемент такої матриці є дільником напруги (рис. 5), який повинен задовольняти наступній умові: якщо він навантажений на опір Rн, то його вхідний опір Rвх також має набувати значення Rн. Коефіцієнт ослаблення ланцюга = U 2 /U 1 при цьому навантаженні повинен мати задане значення. При виконанні цих умов отримуємо такі вирази для опорів:

відповідно до рис.4.

Оскільки в будь-якому положенні перемикачів S kвони з'єднують нижні висновки резисторів із загальною шиною схеми, джерело опорної напруги навантажено на постійний вхідний опір Rвх = R. Це гарантує незмінність опорної напруги за будь-якого вхідного коду ЦАП.

Згідно рис. 4 вихідні струми схеми визначаються співвідношеннями

а вхідний струм

Оскільки нижні висновки резисторів 2 Rматриці за будь-якого стану перемикачів S kз'єднані із загальною шиною схеми через низький опір замкнутих ключів, напруги на ключах завжди невеликі, в межах кількох мілівольт. Це спрощує побудову ключів і схем керування ними та дозволяє використовувати опорну напругу з широкого діапазону, у тому числі й різної полярності. Оскільки вихідний струм ЦАП залежить від UОплінійно (див. (8)), перетворювачі такого типу можна використовувати для множення аналогового сигналу (подаючи його на вхід опорної напруги) на цифровий код. Такі ЦАП називають перемножуючими(MDAC).

Точність цієї схеми знижує та обставина, що з ЦАП, мають високу розрядність, необхідно узгоджувати опори R 0 ключів із розрядними струмами. Особливо це важливо для ключів старших розрядів. Наприклад, у 10-розрядному ЦАП AD7520 ключові МОП-транзистори шести старших розрядів зроблені різними за площею та їх опір R 0 наростає згідно з двійковим кодом (20, 40, 80, … , 640 Ом). Таким способом зрівнюються (до 10 мВ) падіння напруги на ключах перших шести розрядів, що забезпечує монотонність та лінійність перехідної характеристики ЦАП. 12-розрядний ЦАП 572ПА2 має диференційну нелінійність до 0,025% (1 МЗР).