Использование микросхем ЦАП для цифрового ввода коэффициентов преобразования аналоговых схем

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) осуществляют преобразование числового значения управляющего кода, поступившего на вход преобразователя в аналоговую величину (ток или напряжение). ЦАП удобно рассматривать как декодирующее устройство, на входы которого поступают цифровой код X {x₁, x₂, …, x_N} и аналоговый сигнал (напряжение) . На выходе такого устройства формируется аналоговый сигнал, связанный с входным кодом соотношением

,

где

Для преобразования двоичного кода в аналоговый сигнал в рассматриваемом случае формируют токи, пропорциональные весам разрядов входного кода и суммируют те из токов, которые соответствуют единичным разрядам.

Параметры ЦАП, характеризующие их качество, – это количество разрядов n управляющего кода, номинальный выходной ток , время установления выходного сигнала после изменения управляющего кода .

Отечественные микросхемы К572ПА1 и К572ПА2 (зарубежные аналоги AD7520 и AD7545) изготавливаются по МОП-технологии и допускают возможность изменения входного напряжения, как по величине, так и по знаку. В результате ЦАП приобретает свойства перемножителя входного (опорного) напряжения и входного (управляющего) кода.

Упрощенная схема десятиразрядного ЦАП К572ПА1 приведена на рис. 3.13.

Рисунок 3.13 – Упрощенная схема включения микросхемы К572ПА1

Источник входного напряжения с помощью резисторной сетки R…2R, задает двоичновзвешенные токи. В зависимости от управляющего кода с помощью МОП-переключателей S₁…S₁₀ на выходе ЦАП формируются два тока I₁ и I₂. Ток I₁ изменяется пропорционально входному управляющему коду N. Ток I₂ дополняющий, он определяется соотношением I₂ = I₀ – I₁, где I₀ – максимальное значение тока I₁. При U_вх = 10 V номинальное значение I₀ = 1 mA. Выходное напряжение ЦАП U_вых формируется на выходе внешнего усилителя А1 и определяется равенством . Поскольку U_вх может принимать как положительное, так и отрицательные значения, то таким образом можно осуществлять умножение двухполярного напряжения U_вх на N. Умножающий ЦАП удобно использовать для построения усилителя с управляемым коэффициентом усиления. В рассмотренной схеме коэффициент усиления инвертирующего усилителя k = –N/N_max изменяется прямо пропорционально коду N. На рис. 3.14 представлена функциональная схема включения ЦАП и ОУ в качестве инвертирующего усилителя с кодоуправляемым коэффициентом усиления. В этой схеме k может задаваться в пределах от k = 1 при N = N_max до k = 0 при N = 0. Для получения k > 1 в обратную связь ОУ необходимо установить дополнительный резистор (на схеме не показан).

При необходимости изменять коэффициент усиления в некотором диапазоне от k_max до k_min при k_min ≠ 0, схема может быть дополнена сумматором и усилителем с фиксированным коэффициентом усиления k_min (рис. 3.15).

Рисунок 3.14 – Функциональная схема включения микросхемы ЦАП К572ПА1 и ОУ в качестве инвертирующего усилителя с кодоуправляемым коэффициентом усиления

Рисунок 3.15 – Функциональная схема реализации коэффициента усиления с ненулевым минимальным значением

ЦАП типа К572ПА1 может управляться кодом, получаемым с выходов дискретных интегральных схем типов КМОП и ТТЛ. В последнем случае выходные уровни, соответствующие единичным сигналам, должны быть повышены путем соединения выходов ТТЛ с источником питания 5 V через резисторы сопротивлением 2…10 kW. Непосредственное согласование входных управляющих уровней ЦАП с параметрами сигналов ТТЛ-схем достигается при уменьшении напряжения питания ЦАП до 5 V.

При использовании микросхемы К572ПА2 используются два источника питания (U_пит1 = 5 V и U_пит2 =15 V), что позволяет непосредственно согласовывать входы схемы с цифровыми устройствами. Схема включения этого ЦАП показана на рис. 3.16. Преобразователь К572ПА2 управляется двенадцатиразрядным кодом и имеет два встроенных регистра, в которых входной код может запоминаться. Регистры включены последовательно. По сигналу Е₁ = 1 входной код N записывается в первый регистр, а по сигналу Е₂ = 1 код из первого регистра переписывается во второй. Код второго регистра преобразуется в выходной ток I₁ и в дополняющий ток I₂.Таким образом, если на вход Е₁ или Е₂ подан нулевой сигнал, то изменение управляющего кода N не приведет к немедленному изменению выходного тока ЦАП.

Рисунок 3.16 – Умножающий ЦАП типа К572ПА2 с двумя источниками питания

ЦАП типа К572ПА2 построен, как и ЦАП К572ПА1, на основе резисторной сетки R…2R. Однако последний резистор сетки в рассматриваемом ЦАП не соединен внутри микросхемы с общим проводом, а присоединен к выводу 30. Этот вывод обозначен символом I₃ (см. рис. 3.16). В данном преобразователе имеются два земляных вывода – аналоговый GA и цифровой GD.

Для получения выходного напряжения требуется дополнять преобразователь внешним операционным усилителем, в обратную связь которого включается резистор R_ос, входящий в состав микросхемы.