Цифроаналоговые преобразователи. Основные параметры ЦАП

Цифроаналоговые преобразователи  – ЦАП

Цифроаналоговые преобразователи выполняют преобразование цифровой информации в управляющее напряжение или ток. Они также используются в качестве основных узлов в преобразователях обратного кода: аналоговых сигналов обратно в цифровой код.

ЦАП – это устройства, генерирующие выходную аналоговую величину, соответствующую цифровому коду, поступающему на вход преобразователя.

Применяются 2 метода построения ЦАП: суммирование одинаковых величин и суммирование величин, веса которых отличаются. Во втором случае применяются эталонные величины, с весами, зависящими от номера разряда и в суммировании участвуют только те эталонные величины, для которых в соответствующем разряде входного кода имеется единица. При этом используется двоичных или двоично – десятичный код.

При работе ЦАП от двоичного кода работа ЦАП описывается выражением:

X – выходная величина

Р – опорный сигнал

 - коэффициенты соответствующих двоичных разрядов = (1, 0)

Основные параметры ЦАП

Число разрядов определяет разрешение ЦАП

Ступень квантования  h – среднее значение дискретного изменения выходной аналоговой величины при изменении входного кода на единицу,  h называют ещё единицей младшего разряда (ЕМР). Ступень квантования определяет разрешающую способность ЦАП. Для двоичного ЦАП:

выражается в единицах выходной величины или в процентах от Хмах.

Пример 12 разрядный ЦАП, Хмах = 10 В. 

10000/4095 = 2.45мВ   или    0.0245 %

Абсолютная погрешность – отклонение выходного напряжения или тока от расчетного  в конечной точке преобразования. Измеряется в ЕМР или в процентах от Хмах.

Нелинейность преобразования dL – максимальное отклонение характеристики преобразования, проведенной определенным способом. Например:

1. Через начальную и конечную точки преобразования
2. Относительно прямой, проведенной из соображения минимальной нелинейности.

Нелинейность выражается в долях ЕМР или в процентах от Хмах.

Дифференциальная нелинейность – максимальное отклонение действительных ступеней квантования от их среднего значения.

выражается в ЕМР или в процентах от Хмах:

Если  > ЕМР, то характеристика теряет монотонность, т.е. может стать при каком-либо шаге убывающей.

Сдвиг нуля - выражается в ЕМР или в процентах от Хмах.

Динамические параметры

Время установление выходной величины тока или напряжения – время от изменения кода на входе ЦАП до момента, когда значение выходной величины отличается от установившегося  на заданную величину. Обычно код сменяется от состояния «все нули» до состояния «все единицы» или наоборот, а отличие выходной величины от установившегося значения – 0.5 ЕМР.

Выбросы – из-за неодновременности срабатывания ключей и обычно наибольшие при переключении из 0111..1 в 1000…0 могут достигать до половины Хмах.

Существуют много различных принципов построения ЦАП. Рассмотрим некоторые из них.

Параллельный ЦАП с весовыми сопротивлениями.

           Величины сопротивлений резисторов

          n – разрядного ЦАП.    2¹ – старший разряд.

…………

Каждый из резисторов ЦАП в зависимости от записанного в регистр кода подключается к источнику эталонного (опорного) напряжения или к нулевому проводу.  Так как входное сопротивление усилителя с Roc близко к 0  (Rвх = Rос/(К+1), то напряжение на выходе усилителя будет равно:

Отсюда можно найти:

 ,                  

Недостаток ЦАП – при большой разрядности ЦАП необходима широкая шкала номиналов сопротивлений с высокой точностью (особенно в старших разрядах. Это не удобно и часто бывает трудно выполнимо, особенно в интегральной технологии, поэтому такой метод используются в ЦАП малой разрядности или комбинируются с другими методами построения ЦАП-ов.

ЦАП с использованием R-2R матрицы

Другой тип ЦАП строится на основе резистивной сетки R-2R. Найдем входное сопротивление цепи Rвходн. Очевидно, если убрать период схемы 2R, R, подключенный к Uоп, то при большой длине цепи её входное сопротивление не изменится, т.е. можно записать:

     Решая квадратное уравнение, получим

         .

Отсюда можно найти, что при движении вправо напряжение на каждом узле схемы уменьшается в 2 раза. Это свойство делает удобным применение цепи в ЦАП, управляемом двоичным кодом:

Расчёт коэффициента преобразования ЦАП можно провести аналогично расчету ЦАП с весовыми сопротивлениями. Здесь также можно принять, что входное сопротивление УПТ мало (Roc/(K+1)). Получим в этом случае:

Максимальное напряжение ЦАП при ai = 1:

                 

В отличие от ЦАП с весовыми сопротивлениями R-2R ЦАП работает только на малое входное сопротивление, входное сопротивление шины в точке подключения к УПТ должно быть меньше величины R/2­­­­­­ⁿ. (Рассмотреть работу на х.х: переключение входного кода 100…0 на 0100..0). Преимуществом ЦАП с R-2R сеткой является то, что номиналы сопротивлений отличаются всего лишь в 2 раза и поэтому этот ЦАП технологичней, особенно при интегральной технологии. В некоторых случаях комбинируется метод построения ЦАП с использованием R-2R цепей и весовых сопротивлений. С повышением разрядности требования к точности изготовления резисторов становятся более жесткими, поэтому предельная разрядность подобных ЦАП – 14-16 разрядов.

Примеры ЦАП-ов типа R:

·  572ПА1    R-2R,    10 разрядов, tуст = 5 мксек

·  572ПА2    R-2R,    12 разрядов, tуст = 15 мксек, буферный регистр памяти входного кода, подгонка сопротивлений R-2R сетки лазером.

·  594ПА1    R-2R, с весовыми сопротивлениями, 12 разр., tуст = 3,5 мксек