Изучение цифроаналоговых преобразователей

Лабораторная работа 8.2. Цифроаналоговые преобразователи

Схема простейшего ЦАП представлена на рис. 1, файл L8_01.ewb. Значение (вес) каждого разряда задается отношением сопротивления R_OC и соответствующим резистором R₀ – R₃.

Старший разряд Q3, младший Q0.

В аналогичной схеме (рис. 2, файл L8_02.ewb), для анализа ее работы, в качестве источника цифрового кода используется генератор слов.

Рис. 1 Схема простейшего ЦАП, 4 разряда

Рис. 2 Схема простейшего ЦАП, 4 разряда

Временная диаграмма работы модели (файл L8_02.ewb) представлена на рис. 3.

Рис. 3 Временная диаграмма работы ЦАП, 4 разряда

Недостатком схемы является необходимость изготовления резисторов с точным значением сопротивлений, что трудно сделать в интегральном исполнении с помощью полупроводников.

ЦАП лестничного типа

На рис. 5, 6, 7 (L8_03.ewb, L8_04.ewb, L8_05.ewb) представлены ЦАП лестничного типа различной разрядности. В них используется резистивная матрица (рис. 4). Подробнее – читать в презентации Лекция 16.

                                                                        Рис. 4 Резистивная матрица

Достоинство резистивной матрицы – простота изготовления в интегральном виде одинаковых по величине резисторов, что важно для достижения высокой точности преобразования.

Рис. 5 ЦАП лестничного типа, 2 разряда, файл L8_03.ewb

Рис. 6 ЦАП лестничного типа, 4 разряда, файл L8_04.ewb

Рис. 7 ЦАП лестничного типа, 8 разрядов

При одновременном изменении значений нескольких разрядов возможны кратковременные ошибки из-за неодновременного переключения в этих разрядах (рис.8). В точке 1 переключается 4 младших разряда, в точке 2 –8 разрядов (старший разряд из 0 в 1, все младшие разряды из 1 в 0), в точке 3 – 4 разряда. Конденсатор в обратной связи операционного усилителя несколько сглаживает скачки напряжения (его можно отключить выключателем 1). Однако, лучший результат можно получить, используя помехозащищенные коды, например, код Грея.

На рис. 8 синим цветом изображено изменение младшего разряда с частотой 51,2 Гц. Диапазон входного цифрового сигнала: от 00000000₂ до 11111111₂.

Рис. 8 Временная диаграмма напряжения на выходе ЦАП, 8 разрядов

Модели ЦАП из набора программы EWB

Модель ЦАП из набора программы представлена на рис. 9, L8_06.ewb. Результат моделирования – на рис. 10, где DU – шаг квантования по уровню. Диапазон изменения выходного напряжения задается с помощью источников постоянного напряжения ±1В. В данном случае он составляет: 2В - DU, где DU – вес младшего разряда.

Различающиеся полярностью опорные напряжения обычно используются для возможности получения на  выходе ЦАП напряжений разного знака. В данном случае эта возможность не используется. Величина опорного напряжения в данном случае равна:

Рис. 9 ЦАП из набора программы моделирования

Рис. 10 Временная диаграмма выходного напряжения ЦАП

На рис. 11 представлен аналогичный ЦАП (файл L8_07.ewb), у которого используются все разряды. Опорное напряжение равно 16В, что определяет диапазон изменения выходного сигнала U_ВЫХ. Цифровой индикатор представляет входной сигнал в шестнадцатеричном коде.

В модели L8_08.ewb  (рис. 12) используется аналогичная схема, но с генератором слов в качестве источника входного кода в диапазоне от 00 до FF. Временная диаграмма его работы – на рис. 13.

Рис. 11 ЦАП, файл L8_07.ewb

Рис. 12 ЦАП, файл L8_08.ewb

Рис. 13 Временная диаграмма напряжения на выходе ЦАП, 8 разрядов

Смена полярности опорных напряжений меняет полярность напряжения на выходе ЦАП (рис. 14, файл L8_13.ewb). Ключ Z служит для переключения полярности U_ОП и изменения знака напряжения на выходе ЦАП. Такой преобразователь называется униполярным.

Рис. 14 Униполярный ЦАП, файл L8_09.ewb, 3 разряда

Если необходимо изменять знак выходного напряжения в зависимости от значений входного кода, а знак U_ОП изменить невозможно, применяется биполярный ЦАП, в котором характеристика смещается на половину своего диапазона (рис. 15, файл L8_10.ewb).

К выходу униполярного ЦАП подключается дифференциальный усилитель (на операционном усилителе, используется U_ОП1). В модели диапазон характеристики ЦАП: 32В, смещение с помощью ОУ: 16В. Возможно применение сумматора, если используется U_ОП2.

Рис. 15 Биполярный ЦАП, файл L8_10.ewb

Недостатком схемы является несоответствие кода нулевому значению напряжения на выходе ЦАП (рис. 16). Переключение генератора слов при анализе работы модели ЦАП осуществляется пошагово (Step).

Рис. 16 Временная диаграмма напряжения на выходе биполярного ЦАП

В модели (рис. 17, файл L8_11.ewb) используется инвертор, подключенный к старшему разряду генератора слов, для получения знака кода. Сдвиг выходной характеристики получен с помощью не инвертирующего сумматора (используется U_ОП2). Временная диаграмма его работы представлена на рис. 18. Знак двоичного кода: положительный – 0, отрицательный – 1.

Рис. 17 Биполярный ЦАП, файл L8_11.ewb, 4 разряда

Рис. 18 Временная диаграмма напряжения на выходе биполярного ЦАП

Таблицы 1 и 2 отражают исходный двоичный код на входе ЦАП и преобразованный для отражения его знака. В таблице 1 видно, что наборы для разрядовQ₃ Q₂Q₁ Q₀ симметричны относительно строки с десятичным числом 8 и соответствуют диапазону + 7... – 7, при этом инверсия разряда Q₃ представляет собой знак двоичного числа, а строка 0 000₂ соответствует 0₁₀.

                                                                             Таблица 1

Десятичное число	Двоичный код
	Q3	Q2	Q1	Q0
15	1	1	1	1
14	1	1	1	0
13	1	1	0	1
12	1	1	0	0
11	1	0	1	1
10	1	0	1	0
9	1	0	0	1
8	1	0	0	0
7	0	1	1	1
6	0	1	1	0
5	0	1	0	1
4	0	1	0	0
3	0	0	1	1
2	0	0	1	0
1	0	0	0	1
0	0	0	0	0