Изучение цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Методы и устройство цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей

Лабораторная работа №

Изучение цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей.

Цель работы: изучить методы и устройство цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, их основные характеристики и способы применения.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук). Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом (что, в частности, имеет место при управлении двигателями).

К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления tуст — интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности — максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Как и рассматриваемые в следующей лабораторной работе аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.

Рассмотрим наиболее используемые из них. На рисунке 1 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Ключ S5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S1...S4 (при этом Uвыхa=0). Uo – опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП  данного типа представляет собой инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений.

Рисунок 1 – Устройство и принцип работы ЦАП с весовыми резисторами

Так, если замкнут один ключ  S¹что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах.

                                                                   Rос

S1, то uвых =−U0 R

Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1...S4. Токи ключей S1...S4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы.

Из вышеизложенного следует, что 

                                         Rос                         Rос                         Rос                         Rос

                                       uвых =−U0                                 ⋅ S1−U0⋅ S2−U0⋅ S3−U0⋅ S4

                                          R                                  RRR

                                                                                           2               4               8

Sⁱ ,   i = 1, 2, 5, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ                    где замкнут,                     и  0, если ключ разомкнут.

                               т.е uвых =−U0 ^Rос (8S4+ 4S3+ 2S2+S1)

                                                    R

Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R (матрицы постоянного сопротивления) (рисунок 2). 

Рисунок 2 – цифро-аналоговый преобразователь на основе резистивной