Цифро-аналогові перетворювачі (стр. 3 из 4)
Статичні параметри
Роздільна здатність – прирощення Uвих при перетворенні суміжних значень Dj, що відрізняються на ОМР. Це прирощення є шагом квантування. Для війкових кодів перетворення номінальне значення шагу квантування h = Uпш/(2N-1), де Uпш – номінальна максимальна вихідна напруга ЦАП (напруга повної шкали), N – розрядність ЦАП. Чим більша розрядність перетворювача, тим вища його роздільна здатність.
Похибка повної шкали – відносна різниця між реальним та ідеальним значеннями границі шкали перетворення при відсутності зміщення нуля:
dпш = eпш 100%/Uпш.
Є мультиплікативною складовою повної похибки. Інколи її указують відповідним числом ОМР.
Похибка зміщення нуля – значення Uвих, коли вхідний код ЦАП дорівнює нулю. Є адитивною складовою повної похибки. Звичайно указується в мілівольтах або в процентах від повної шкали:
dсм = eсм 100%/Uпш.
Нелинійність – максимальне відхилення реальної характеристики перетворення Uвих(D) від оптимальної (лінія 2 на рис.16). Оптимальна характеристика знаходиться емпірично так, щоб мінімізувати значення похибки нелинійності. Нелинійність звичайно визначається у відносних одиницях, але у довідкових даних наводиться також і в ОМР. Для характеристики, наведеної на рис.16
dл = ej 100%/Uпш.
Диференційна нелинійність – максимальна зміна (з урахуванням знаку) відхилення реальної характеристики перетворення Uвих(D) від оптимальної при переході від одного значення вхідного коду до іншого суміжного значення. Звичайно визначається у відносних одиницях або ОМР. Для характеристики, наведеної на рис.16:
dдл = (ej + e(j+1))100%/Uпш.
Монотонність характеристики перетворення – зростання або зменшення вихідної напруги ЦАП Uвих при зростанні або зменшенні вхідного кода D. Якщо диференційна нелинійність більша за відносний шаг квантування h/Uпш, то характеристика перетворення немонотонна.
Температурна нестабільність ЦАП характеризується температурними коефіцієнтами похибки повної шкали та похибки зміщення нуля.
Похибка повної шкали та зміщення нуля можуть бути усунені калібровкою (підстройкою). Похибки нелинійності простими засобами усунути неможливо.
Динамічні параметри
Динамічні параметри ЦАП визначаються по зміні вхідного сигналу при стрибковій зміні вхідного коду, звичайно від значення „усі нулі” до значення „усі одиниці” (рис.17).
Рис.17. Динамічні параметри
Час встановлення – інтервал часу від моменту змінення вхідного коду (на рис.17 t=0) до моменту, коли у останній раз виконується рівність
Uвих – Uпш = d/2.
Швидкість наростання –максимальна швидкість зміни Uвих(t) під час перехідного процесу. Визначається як відношення прирощення DUвих до часу t, за який це прирощення здійснилось. звичайно вказується у технічних характеристиках ЦАП з вихідним сигналом у вигляді напруги. У ЦАП з вихідним сигналом у вигляді струму цей параметр у великій мірі залежить від типу вихідного операційного підсилювача.
Для перемножуючих ЦАП з виходом у вигляді напруги часто зазначається частота одиничного підсилення та смуга пропущення по потужності. які в основному визначаються властивостями вихідного підсилювача.
Шуми ЦАП
Шум на виході ЦАП може з’являтись по різним причинам, що викликаються фізичними процесами у напівпровідникових пристроях. Для оцінки якості ЦАП з високою роздільною здатністю прийнято використовувати поняття середньоквадратичного значення шуму. Він вимірюється звичайно у нВ/(Гц)0,5 в заданій смузі частот.
Викиди (імпульсні перешкоди) – круті короткі сплески або провали у вихідній напрузі, що виникають під час зміни значень вхідного коду за рахунок несинхронності замикань та розмикань аналогових ключів у різних розрядах ЦАП. Наприклад, якщо при переході від значення коду 011...111 до значення 100...000 ключ самого старшого розряду ЦАП з сумуванням вагових струмів відкриється пізніше, ніж закроються ключі молодших розрядів, то на виході ЦАП деякий час буде існувати сигнал, що відповідає коду 000...000.
Викиди характерні для швидкодіючих ЦАП, де зведені до мінімуму ємності, які могли б їх згладити. Радикальним способом придушення викидів є використання пристроїв вибірки та збереження. Викиди оцінюються по їх площі (в В*с).
6. Застосування ЦАП
Схеми застосування ЦАП відносяться не тільки до галузі перетворення код-аналог. Користуючись їх властивостями можна визначити добуток двох або більше сигналів, будувати подільники функцій, аналогові ланки, що керуються від мікроконтролерів, такі як атенюатори, інтегратори. Важливою галуззю застосування ЦАП є також генератори сигналів будь-якої форми. Нижче розглянуті деякі схеми обробки сигналів, що вміщають у себе ЦАП.
Обробка чисел, що мають знак
Раніше при описі ЦАП вхідна цифрова інформація представлялась у вигляді чисел натурального ряду (уніполярних). Обробка цілих чисел (біполярних) має деякі особливості. Звичайно двійкові цілі числа представляються з використанням додаткового коду. Таким шляхом за допомогою восьми розрядів можна представити числа у діапазоні від -128 до +127. При вводі чисел у ЦАП цей діапазон зміщують до 0...255 шляхом додавання числа 128. Числа, що більші за 128, при цьому визначаються як позитивні, а числа, що менші за 128 – негативні. Середнє число 128 відповідає нулю. Таке представлення чисел зі знаком називається зміщеним кодом. Додавання числа , що складає половину повної шкали даної розрядності (у нашому прикладі це 128) можна легко виконати шляхом інверсії старшого (знакового) розряду. У табл.1 це ілюструється.
Таблиця 1
| Десятковий | Додатковий | Зміщений | Аналог I/Iмакс |
| 12710-1-127-128 | 011111110000000100000000111111111000000110000000 | 111111111000000110000000011111110000000100000000 | 127/2551/2550-1/255-127/255-128/255 |
Щоб одержати вихідний сигнал з правильним знаком, потрібно здійснити зворотне зміщення шляхом віднімання струму або напруги, що складають половину шкали перетворювача. Для різних типів ЦАП це можна зробити різними способами. Наприклад, у ЦАП на джерелах струму, діапазон зміни опорної напруги обмежений. причому вихідна напруга має полярність зворотну полярності опорної напруги. У цьому випадку біполярний режим найбільш просто реалізується включенням додаткового резистора зміщення Rcм між виходом ЦАП та входом опорної напруги (рис.18,а) Резистор Rcм виготовляється на кристалі мікросхеми. Його опір вибраний таким, щоб струм Ісм складав половина максимального значення вихідного струму ЦАП.
Рис.18. а) схема на одному резисторі; б) схема з операційним підсилювачем; в) схема на інверсній резистивній матриці.
В принципі аналогічно можна вирішити задачу зміщення вихідного струму і для ЦАП на МОН-ключах. Для цього потрібно про інвертувати опорну напругу, а потім сформувати з –Uоп струм зміщення, який потрібно відняти від вихідного струму ЦАП. Але для збереження температурної стабільності краще забезпечити формування струму зміщення безпосередньо у ЦАП. Для цього у схему рис.18,а вводять другий операційний підсилювач, а другий вихід ЦАП підключають до входу цього підсилювача (рис.18,б).
Другий вихідний струм ЦАП
I’вих = Iвх – Iвих – Uоп/R·2N= Uоп(2N-1)/R·2N – Iвих.
На вході операційного підсилювача струм I’вих сумується зі струмом Iмр, що відповідає одиниці молодшого розряду вхідного коду. Сумарний струм інвертується. Струм, що проходить через резистор зворотнього зв’язку Rос ОУ2 складає
Iос = Iвх – Iвих – Uоп/R·2N = 2(Iвих – Uоп/2R),
або
Iос = Uоп/R·2N(D – 2N-1).
Якщо D=0, Iос = - Uоп/R, а при D = 2N – 1, Iос = (Uоп/R)(2N-1 – 1)/2N-1.
Це у випадку N=8 з точністю до множника 2 співпадає з даними таблиці, з урахуванням того, що для перетворювача на МОН-ключах максимальний вихідний струм
Iмакс = (Uоп/R)(2N-1 – 1)/2N-1.
Якщо резистори R2 добре узгоджені по опору, то абсолютна зміна їх величин при коливаннях температури не впливає на вихідну напругу схеми.
У ЦАП з вихідним сигналом у вигляді напруги, побудованих на інверсній резистивній матриці (рис.9), можна більш просто реалізувати біполярний режим (рис.18,в). Як правило, такі ЦАП мають на кристалі вихідний буферний підсилювач. Для роботи ЦАП в уніполярному режимі вільний вивід нижнього по схемі резистора R не підключають, або підключають до спільної точки схеми для подвоєння вихідної напруги. Для роботи у біполярному режимі вільний вивід цього резистора з’єднують зі входом опорної напруги ЦАП. Операційний підсилювач у цьому випадку працює в диференційному включенні і його вихідна напруга:
Uвих = 2Uцап –Uоп = 2Uоп(D/2N – ½).
Перемножувачі та подільники функцій
Як вже вказувалося вище, ЦАП на МОН-ключах допускають зміну опорної напруги в широкому діапазоні, у тому числі і зміну полярності. З наведених вище формул випливає, що вихідна напруга ЦАП пропорційна добутку опорної напруги на вхідний цифровий код. Ця обставина дозволяє безпосередньо використовувати такі ЦАП для перемноження аналогового сигналу на цифровий код.
При уніполярному включенні ЦАП вихідний сигнал пропорційний добутку двополярного аналогового сигналу на одно полярний цифровий код. Такий перемножував називають двоквадрантним. При біполярному включенні ЦАП (рис.18,б,в) вихідний сигнал пропорційний добутку двополярного аналогового сигналу на двополярний цифровий код. Ця схема може працювати як чотирьох полярний перемножувач.
Ділення вхідної напруги на цифровий масштаб MD = D/2N виконується за допомогою схеми двохквадрантного подільника (рис.19).
Рис.19. Варіанти схеми двох квадрантного подільника