Краткое описание назначения и основных характеристик цифро-аналоговых преобразователей

Цифро–аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровой информации, заданной в форме двоичных кодов, в аналоговые величины, обычно в напряжение или ток. Процесс цифро–аналогового преобразования предполагает формирование в заданном диапазоне изменения выходного аналогового сигнала его дискретных значений, отличающихся на определенный шаг, и сопоставление каждому дискретному значению выходного сигнала определенного двоичного кода.

ЦАП в настоящее время выпускаются промышленностью только в виде интегральных схем, которые могут быть как функционально завершенные, так и функционально незавершенные. Во втором случае необходимо использование внешних элементов, как правило, источника опорного напряжения и операционного усилителя. Применение внешнего источника опорного напряжения позволяет разделить все ЦАП на две группы: умножающие и неумножающие. Первая группа допускает работу с изменяющимся во времени опорным напряжением, вторая – только с фиксированным значением опорного напряжения.

Технические характеристики ЦАП разделяются на статические и динамические. К статическим относятся:

1. Разрядность n - число двоичных разрядов кода, которые можно подать на вход ЦАП. Цифровая часть ЦАП разделяет величину опорного напряжения U_оп, I_оп на N частей, связанных с разрядностью следующей формулой

N = 2ⁿ

ЦАП широкого применения обычно содержат от 8 до 16 двоичных разрядов.

2. Минимальный шаг изменения выходного напряжения или тока ΔI_вых, ΔU_вых, при котором входной код изменяется на единицу. Минимальный шаг связан с разрядностью следующей формулой

ΔI_вых = I_оп / N, ΔU_вых= U_оп / N.

Выходное напряжение U_вых или выходной ток I_вых идеального ЦАП определяется следующими соотношениями

I_вых = I_оп m / N, U_вых = U_оп m / N,

где: m – десятичный эквивалент двоичного кода, поступающего на вход ЦАП, m = 0, 1,… N.

3. Абсолютная погрешность преобразования δU_вых, δI_вых, определяемая в конечной точке m = N равна разности выходных напряжений или токов идеального и реального ЦАП.

4. Нелинейность преобразования δL - максимальная разность выходных напряжений или токов для идеального и реального ЦАП в промежуточной точке m < N.

5. Напряжение смещения нуля – напряжение или ток на выходе ЦАП при подаче на его вход нулевого кода.

К динамическим характеристикам ЦАП относятся:

1. Максимальная частота преобразования f_{с макс} - максимальная частота изменения входных кодов, допустимая для нормальной работы ЦАП.

2. Время установления t_s – время от момента поступления двоичного кода на вход ЦАП до момента установления выходного напряжения или тока.

Обычно характеристики ЦАП связывают с минимальным шагом изменения выходного напряжения ΔU_вых или тока ΔI_вых. Так, абсолютная погрешность преобразования и нелинейность преобразования обычно равна минимальному шагу или, в точных ЦАПах, – половине минимального шага.

По совокупности параметров ЦАП принято делить на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления меньше 100 нс. К прецизионным относятся ЦАП, имеющие погрешность нелинейности менее 0,1%.

Рис. 1. Характеристики преобразования ЦАП: реальная (а) и идеальная (б)

При построении ЦАП в качестве эталонного используются токи или напряжения. Принцип построения ЦАП, реализующих метод суммирования токов, показан на рис. 2.

Данное устройство (рис. 2) содержит n источников тока, которые подключаются с помощью ключей S к общей нагрузке R_H. На общей нагрузке R_H будут протекать только токи тех разрядов, в которых значение цифры – единица. Если нагрузка R_H постоянна, то выходное напряжение U_ВЫХ пропорционально входному коду. На практике для получения выходного напряжения, пропорционального входному коду, в качестве нагрузке используется операционный усилитель, играющий роль преобразователя тока в напряжение. Действительно, в ОУ напряжение между входами равно нулю (U_ВЫХ=J_Σ*R_OOC). Выходное напряжение в ОУ прямо пропорционально входному току ЦАП и не зависит от сопротивления выходной нагрузки.

Недостатком рассмотренной выше схемы ЦАП является широкий диапазон величин сопротивлений в резистивной матрице для формирования разрядных токов. К тому же эти резисторы должны иметь прецизионную точность изготовления.

Поэтому в современных ЦАП используются резистивные матрицы типа R-2R. Эти матрицы включают в себя резисторы двух номиналов: R и 2R (рис. 203). Отклонение номиналов резисторов друг от друга не превышает 0,001%. Важным свойством матрицы R-2R является то, что ее входное сопротивление, а, следовательно, и входной ток постоянны и не зависят от состояния ключей S_i. Это позволяет устанавливать на входе матрицы многооборотный потенциометр и плавно изменять опорное напряжение U_ОП.

В резистивной матрице происходит последовательное деление тока на два. В результате на выходе матрицы формируется суммарный ток, пропорциональный входному цифровому коду. Операционный усилитель DA1 преобразует суммарный ток в суммарное напряжение, пропорциональное цифровому коду.

Рис. 2. Реализация схемы ЦАП с суммированием токов

;

,

где К_V=R_OOC/R – коэффициент усиления масштабного усилителя ДА1.

Для максимального входного кода N=1111…1 выходное напряжение равно:

,

т.е. максимальное входное напряжение меньше опорного U_ОП на величину младшего разряда.

Точность и стабильность параметров ЦАП в основном зависят от стабильности источника U_ОП и точности изготовления резисторов R в матрице. В качестве материала для резисторов используют пленку поликремния, обладающую высокой стабильностью собственного сопротивления.

Для уменьшения погрешностей, возникающих из-за транзисторов токовых ключей, площади транзисторов выполняются пропорциональными протекающему через них току. ЦАП выпускается в виде ИС, обычно с внешним источником U_ОП и ОУ.