Цифро-аналогові перетворювачі (стр. 1 из 4)

Курсова робота

Цифро-аналогові перетворювачі

2008р.

1. Загальні відомості

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для перетворення числа у вигляді двійкового коду у напругу або струм, пропорційний значенню цифрового коду. Схемотехніка ЦАП дуже різноманітна. На рис.1 показана класифікація схем ЦАП за схемотехнічними показниками.

Рис.1 Класифікація схем ЦАП

Окрім того, інтегральні мікросхеми ЦАП мають класифікацію за такими ознаками:

· По вигляду цифрового сигналу: або з токовим виходом, або у вигляді напруги.

· По типу цифрового інтерфейсу: з послідовним введенням, або з паралельним введенням вхідного коду.

· По кількості ЦАП на кристалі: одно канальні або багатоканальні.

· По швидкодії: помірної або високої швидкодії.

2. Послідовні ЦАП

ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією

Дуже часто ЦАП входить у склад мікропроцесорних систем. В такому випадку, якщо не потрібна висока швидкодія, цифро-аналогове перетворення може бути дуже просто здійснене за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Схема ЦАП з ШІМ наведена на рис.2.

Рис.2. а) Схема послідовного ЦАП; б) діаграма напруг.

Вихід ШІМ-модулятора керує роботою ключа S. В залежності від коду формується імпульс ШІМ, тривалість якого прямо пропорційна значенню цифрового коду. Схема формування показана на рис.3. Код на виході лічильника лінійно зростає з кожним імпульсом тактової частоти Fтакт. Поки цей код менший за двійковий код, на виході.

Рис.3. Схема формування коду

Схеми порівняння кодів (СПК) буде сигнал логічної одиниці. Як тільки код лічильника зрівнюється з війковим кодом, на виході СПК встановлюється логічний нуль. Цей імпульс керує ключем S. Фільтр у схемі рис.2а виділяє середнє значення напруги, як це показане на рис.2б. Ця схема забезпечує майже ідеальну лінійність перетворення і не має прецизійних елементів. Її головний недолік – низька швидкодія.

ЦАП на перемикаємих конденсаторах

У попередній схемі потрібно 2^N тактів імпульсів синхронізації. В схемі рис.4 для цього потрібно значно менше тактів.

Рис. Схема ЦАП на перемикаємих конденсаторах.

В цій схемі ємності конденсаторів С1 та С2 рівні. Перед початком циклу перетворення конденсатор С2 розряджається ключем S Вхідне війкове слово задається у вигляді послідовного коду. Його перетворення здійснюється послідовно, починаючи з молодшого розряду d0. кожен такт перетворення складається з двох полу тактів. В першому полутакті конденсатор С1 заряджається до опорної напруги Uоп при d0=1 за допомогою замикання ключа S1, або розряджається до нуля при d0=0 за допомогою замикання ключа S2. На другому полу такті при розімкнутих ключах S1,S2 та S4 замикається ключ S3, що викликає ділення заряду навпіл між С1 та С2. В результаті одержимо:

U1(0) = Uвих(0) = (d0/2)Uоп.

Доки на конденсаторі С2 зберігається заряд, процедура зарядження конденсатора С1 повинна бути повторна для наступного розряду d1 вхідного слова. Після нового циклу перезаряджання напруга на конденсаторах буде

Uвих(1) = U1(1) = [(d1 + d0/2)Uоп]/2 = [(2d1 + d0)Uоп]/

Таким же чином виконується перетворення для інших розрядів слова. В результаті для N-розрядного ЦАП вихідна напруга буде дорівнювати

Uвих(N-1) + U(1) =

= .

Якщо потрібно зберегти результат перетворення будь-який тривалий час, до виходу схеми треба підключити ПВЗ. Після закінчення циклу перетворення потрібно провести цикл вибирання, перевести ПВЗ в режим збереження і знову почати перетворення.

Таким чином ця схема виконує перетворення вхідного коду за 2N квантів, що значно менше, ніж у ЦАП з ШІМ. Тут потрібно лише два узгоджених конденсатори невеликої ємності. Конфігурація аналогової частини схеми не залежить від розрядності перетворюваного коду. Але по швидкодії послідовний ЦАП значно уступає паралельним ЦАП, що обмежує сферу його застосування.

3. Паралельні ЦАП

ЦАП з сумуванням вагових струмів

Більшість схем паралельних ЦАП засновані на сумуванні струмів, сила кожного з яких пропорційна вазі цифрового війкового розряду, причому повинні сумуватись тільки суми розрядів, значення яких дорівнює 1. Наприклад, потрібно перетворити двійковий 4-розрядний код в аналоговий сигнал струму. У старшого значущого розряду (СЗР) вага дорівнює 2³ = 8, у третього 2² = 4, у другого 2¹ = 2 і у молодшого (МЗР) 2⁰ = 1. Якщо вага МЗР дорівнює струму I1 = 1 мА, то I2 = 2 мА, I3 = 4 мА, I4 = 8 мА. Наприклад, коду 1001 відповідає струм Iвих = 9 мА. Тому потрібна схема, що забезпечує генерацію та комутацію по заданих законах точних вагових струмів. Найпростіша схема показана на рис.5.

Рис.5. Цап з сумуванням вихідних струмів

Опори резисторів вибирають так, щоб при замкнених ключах через них протікав струм відповідний вазі розряду Ключ повинен бути замкнений тоді, коли відповідний йому біт вхідного слова дорівнює одиниці. Вихідний струм визначається співвідношенням

Iвих =

= UопD/R₀.

При високій розрядності ЦАП резистори, що задають струм, повинні бути погоджені з високою точністю. Найбільш жорсткі вимоги по точності висуваються к резисторам старших розрядів, оскільки розкид в них не повинен перевищувати струму молодшого розряду. Тому розкид опору у к-му розряді повинен бути меншим, ніж DR/R = 2^-k.

З цієї вимоги виникає, що розкид опору резистора, наприклад у 10-му розряді не повинен перевищувати 0,05%.

Розглянута схема має кілька недоліків. По перше, при різних вхідних кодах, струм, що споживається від джерела опорної напруги (ДОН), буде різним, а це впливає на величину вихідної напруги ДОН. По друге, значення опорів вихідних резисторів можуть відрізнятись у тисячі разів, а це робить проблемною реалізацію цих резисторів у напівпровідникових інтегральних мікросхемах. Окрім того, значення опорів старших розрядів у багато розрядних цап може бути зіставленим з опором замкненого ключа, а це приведе до похибки перетворення. По трете, у цій схемі до ключів прикладається значна напруга, що ускладнює їх реалізацію.

Ці недоліки усунуті у схемі ЦАП AD7520 (вітчизняний аналог 572ПА1), що розроблений фірмою AnalogDevices. Ця схема показана на рис.6. У якості ключів тут використовуються МОН-транзистори.

Рис.6. Схема ЦАП з ключами

У цій схемі завдання вагових коефіцієнтів ступенів перетворювача здійснюється за посередництвом послідовного ділення опорної напруги за допомогою резистивної матриці постійного імпедансу. головний елемент такої матриці є подільник напруги, який повинен задовольняти наступній умові: якщо він завантажений опором Rн, то його вхідний опір також повинен приймати значення Rн. Коефіцієнт ослаблення кола a =U2/U1 при цьому завантаженні повинен мати задане значення. При виконанні цих умов одержуємо наступні вирази для опорів

Uвих(N -1) = U1(N - 1) =

=

Rp = aRн/(1-a), Rs = (1 - a)Rн.

При війковому кодуванні a = 0,5. Якщо покласти Rн = 2R, то Rs = R, aRp = 2R.

Оскільки у будь-якому положенні перемикачів Sk вони з’єднують нижні виводи резисторів з загальною шиною схеми, джерело опорної напруги навантажене на постійний вхідний опір Rвх = R. Це гарантує незмінність опорної напруги при будь-якому вхідному коді ЦАП. Нижні виводи резисторів 2R матриці при будь-якому положенні перемикачів Sk з’єднані з загальною шиною через низький опір замкнених ключів, тоді напруги на ключах завжди невеликі. Це спрощує побудову ключів та схем керування ними та дозволяє використати опорну напругу з великого діапазону напруг, у тому числі і різної полярності. Оскільки вихідний струм ЦАП залежить від Uоп линійно. перетворювачі цього типу можна використовувати для множення аналогового сигналу (подаючи його на вхід опорної напруги) на цифровий код. Такі ЦАПи називають перемножуючими.

ЦАП на джерелах струму

ЦАП на джерелах струму має більш високу точність. На відміну від попереднього варіанту, у якому вагові струми формуються резисторами порівняно невеликого опору, а тому залежать від опору ключів на навантаження, у даному разі вагові струми забезпечуються транзисторними джерелами струму, що мають високий динамічний опір. Спрощена схема такого ЦАП наведена на рис.7.

Вагові струми формуються за допомогою резистивної матриці. Потенціали баз транзисторів однакові, а щоб були рівними і потенціали емітерів усіх транзисторів, площі Ії емітерів роблять різними у відповідності до вагових коефіцієнтів. Правий резистор матриці підключений не до загальної шини, а до двох паралельно включених однакових транзисторів VT0 та VTн, у результаті чого струм через VT0 дорівнює половині струму через VT1.

Рис.7. ЦАП на джерелах струму

Вихідна напруга для резистивної матриці створюється за допомогою опорного транзистора VTоп та операційного підсилювача ОУ1, вихідна напруга якого встановлюється такою, що колекторний струм транзистора VTоп приймає значення Iоп. Вихідний струм для N-розрядного ЦАП

Iвих = Iоп D/2^N.

Формування вихідного сигналу у вигляді напруги

Існує декілька способів формування вихідної напруги для ЦАП з сумуванням вихідних струмів. Два з них показані на рис.8.