Цифро-аналоговые преобразователи. Назначение, основные параметры и характеристики. Функциональное обозначение ЦАП

8. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

8. 1. Назначение, основные параметры

         и  характеристики

Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется устройство, предназначенное для преобразования цифрового кода в эквивалентный аналоговый сигнал.

Основной областью применения ЦАП является сопряжение цифровых устройств формирования и обработки сигналов с  аналоговыми устройствами. Наряду с основным назначением ЦАП применяются также для построения различных аналого-цифровых и цифроаналоговых устройств. Функциональное обозначение  ЦАП показано на рис. 8. 1.

Рис. 8. 1. Функциональное обозначение ЦАП

ЦАП имеет два входа – цифровой и аналоговый. На цифровой вход ЦАП подается n-разрядный двоичный код  i -тый разряд которого может принимать значения

.

На аналоговый вход ЦАП подается опорное напряжение U_ОП, с использованием которого формируется выходное напряжение преобразователя U_вых.

Десятичный эквивалент Х_д двоичного кода Х определяется как

.                           (8. 1)

Выходное напряжение ЦАП связано с входным цифровым кодом соотношением

                                                         (8. 2)

где  - шаг квантования, определяющий разрешающую способность преобразователя.

По выражению (8. 2) можно построить   характеристику преобразования ЦАП – зависимость выходного напряжения U_вых от значения цифрового кода X.

Пример 8. 1. Требуется построить характеристику преобразования для 3-разрядного ЦАП  (n = 3) при опорном напряжении U_ОП = 7 В.

Определим:

-  шаг квантования

;

-  минимальное значение выходного напряжения при минимальном значении кода 000

U_вых.min = 0 В;

-  максимальное  значение выходного напряжения при максимальном значении кода 111

U_вых.max = 7 В.

При изменении кода от 000 до 111 выходное напряжение ступенчато изменяется от 0 до 7 В с величиной ступеньки  = 1 В. Характеристика преобразования для данного примера показана на рис. 8. 2.

 

Рис. 8. 2. Характеристики преобразования ЦАП

При увеличении разрядности ЦАП  n величина шага квантования DU_К стремится к нулю, и характеристика преобразования стремится к непрерывной прямой. В идеальных ЦАП характеристика преобразования представляет собой прямую,        проходящую через начало координат (рис. 8. 2, б). В реальных ЦАП характеристика отличается от линейной и может быть смещена относительно начала координат, что приводит к погрешности преобразования. Выходное напряжение ЦАП при нулевом значении кода X называется напряжением смещения нуля U_см.0. 

Нелинейность характеристики оценивают по погрешности нелинейности и дифференциальной нелинейности. Погрешностью нелинейности DU_НЕЛ называют максимальное отклонение характеристики преобразования от прямой. Дифференциальная нелинейность определяется как максимальное отклонение от прямой для двух смежных значений цифрового кода.

Динамические свойства ЦАП оцениваются двумя основными параметрами: временем установления и частотой преобразования. Под временем установления t_уст понимается интервал времени от подачи цифрового кода до установления выходного напряжения с заданной погрешностью. Частота преобразования – это максимально допустимая  частота изменения кода, при которой все параметры ЦАП остаются в пределах  заданных.

ЦАП широко применяются  в измерительной технике (генераторы сложных сигналов, программируемые источники калиброванных сигналов),  системах автоматического контроля и управления (устройства сопряжения с объектами, функциональные преобразователи, цифроуправляемые элементы и устройства), системах передачи данных (модемы, кодеки, активные и цифровые фильтры), в системах формирования аудио- и видеосигналов, а также являются одним из основных функциональных узлов некоторых видов аналого-цифровых преобразователей.

Существует множество вариантов построения ЦАП. Однако в современных интегральных преобразователях преимущественно применяются принципы построения на основе двоично взвешенного суммирования токов с использованием резистивных матриц двух типов: двоично взвешенных матриц и матриц типа R – 2R. В многоразрядных быстродействующих ЦАП применяется также комбинирование  матриц обоих типов.

8. 2. ЦАП с двоично взвешенной резистивной матрицей