Цифро-аналоговые преобразователи.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых кодов в аналоговые величины, например, напряжение, ток, сопротивление и т. п. Принцип преобразования заключается в суммировании всех разрядных токов (или напряжений), взвешенных по двоичному закону и пропорциональных значению опорного напряжения. Другими словами, преобразование заключается в суммировании токов или напряжений, пропорциональных весам двоичных разрядов, причем суммируются только токи тех разрядов, значения которых равны логической 1. В двоичном коде вес от разряда к разряду изменяется вдвое. При построении ЦАП с выходом по напряжению наиболее распространены две схемы суммирования токов – параллельная и последовательная. На рисунке 14.21 приведена схема ЦАП с параллельным суммированием токов.

Рис. 14.21. Схема ЦАП с параллельным суммированием токов.

ЦАП включает в свой состав источник опорного напряжения (ИОН), линейку ключей (S₁ – S_m), где m – количество разрядов входного кода и суммирующий операционный усилитель, номиналы входных резисторов которого распределены по двоичному закону (рис. 14.21).

Ключи S_i замыкаются при поступлении на вход ключа напряжения, соответствующего уровню логической 1, тем самым подключая соответствующие резисторы к источнику опорного напряжения. Через резисторы протекает соответствующий весу разряда ток. Сопротивление резисторов прогрессивно изменяется в два раза от разряда к разряду. В результате на выходе операционного усилителя формируется напряжение в виде (см. раздел 13.3, рис. 13.21):

.

Входной двоичный код рассматривается как дробное двоичное число в виде: А=0,a_-1a_-2…..a_-m. Таким образом, значение числа в квадратных скобках не может превысить значения единицы, а при максимальном входном коде (все a_i=1) выходное напряжение ЦАП стремится к U_0.

При высокой разрядности сопротивления резисторов должны быть согласованы с высокой точностью. Особо жесткие требования предъявляются к резисторам старших разрядов, так как разброс тока в них не должен превышать тока младшего разряда. Это позволит получить ЦАП с приемлемой точностью преобразования входного двоичного кода в напряжение.

Единственным достоинством такого ЦАП является его простота.

К недостаткам рассмотренной схемы ЦАП относятся:

· Трудность подгонки резисторов в каждом разряде для получения необходимой точности преобразования;

· Ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН) при изменении входного двоичного кода изменяется, что вызывает небольшие изменения опорного напряжения U₀, а это приводит к дополнительным погрешностям;

Более широкое применение получил ЦАП с последовательной схемой суммирования токов. На рис. 14.22 приведена схема 4-х разрядного ЦАП со схемой последовательного суммирования токов.

Рис. 14.22. Схема 4-х разрядного ЦАП с последовательным

суммированиием токов.

В такой схеме задание весовых коэффициентов осуществляется с помощью резистивной матрицы R-2R постоянного сопротивления. ЦАП включает в свой состав источник опорного напряжения (ИОН), линейку перекидных ключей (S₁ – S₄), резисторную матрицу R-2R на 4 входа и операционный усилитель с резистором в цепи обратной связи.

Правому положению ключа соответствует единица в данном разряде входного кода N (разряды D1…D4). Первым (левым по рисунку) ключом коммутируется ток величиной U₀/2R, вторым ключом — ток U₀/4R, третьим — ток U₀/8R, четвертым — ток U₀/16R. То есть токи, коммутируемые соседними ключами, различаются вдвое, как и веса разрядов двоичного кода. Токи, коммутируемые всеми ключами, суммируются и преобразуются в выходное напряжение с помощью операционного усилителя с сопротивлением R_ОС=R в цепи отрицательной обратной связи.

При правом положении каждого ключа (единица в соответствующем разряде входного кода ЦАП) ток, коммутируемый этим ключом, поступает на суммирование. При левом положении ключа (нуль в соответствующем разряде входного кода ЦАП) ток, коммутируемый этим ключом, на суммирование не поступает.

Суммарный ток I_O от всех ключей создает на выходе операционного усилителя напряжение U_вых=I_O R_ОС=I₀·R. То есть вклад первого ключа (старшего разряда кода) в выходное напряжение составляет U₀/2, второго — U₀/4, третьего — U₀/8, четвертого — U₀/16. Таким образом, при входном коде N = 0000 выходное напряжение схемы будет нулевым, а при входном коде N = 1111 оно будет равно U_ВЫХ =15U₀/16.

В общем случае выходное напряжение ЦАП при R_ОС = R будет связано со входным кодом N и опорным напряжением U₀ простой формулой:

U_ВЫХ = –N • U₀ •2^-n , или для этой схемы

где n — количество разрядов входного кода. Знак минус получается из-за инверсии сигнала операционным усилителем.

Достоинства ЦАП на основе матрицы R-2R:

· Используются резисторы только двух номиналов, что облегчает задачу точной подгонки их значений, и позволяет выпускать резисторные матрицы R-2R в интегральном исполнении;

· Ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН) не изменяется при изменении входного кода, так как перекидными ключами S_i он переключается либо в точку суммирования, либо на общую шину, а значит U₀ остается постоянным и дополнительные погрешности не возникают.

Недостатком ЦАП на основе матрицы R-2R является необходимость использования перекидных ключей S_i, которые, как правило, представляют собой структуры на полевых транзисторах со схемами управления в интегральном исполнении.

Погрешность ЦАП составляет не меньше величины, соответствующей единице младшего разряда преобразователя. Кроме того, на погрешность ЦАП влияют нестабильность выходного напряжения ИОН, точность подгонки резисторов, разброс сопротивлений ключей и точность работы ОУ.

Промышленностью выпускаются ЦАП в виде интегральных микросхем. Из отечественных типов ЦАП это микросхемы КР572ПА1 и КР572ПА2. Это 12-разрядные ЦАП с резисторной матрицей R-2R и внешним ОУ.

ЦАП находят широкое применение в системах управления и автоматики в различных отраслях промышленности, так как все шире для целей управления применяется вычислительная техника, и для формирования управляющих сигналов требуется применение ЦАП.

Контрольные вопросы

1. Понятие цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), его функции и применение?

2. Способы выполнения цифро-аналогового преобразования?

3. Схема и принцип действия ЦАП на основе суммирующего операционного усилителя (ОУ) ?

4. Назначение источника опорного напряжения (ИОН) в структурах ЦАП?

5. Схема и принцип действия ЦАП на основе прецизионной резисторной матрицы R-2R?

6. Сравнительная оценка ЦАП, построенных на основе ОУ и на основе резисторной матрицы R-2R?

7. Из каких составляющих складывается общая погрешность ЦАП?