Анализ поставленной задачи

 

Рисунок 3.5 – ЦАП на резистивной матрице типа R-2R с выходом по току

 

Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах (ЦАП с суммированием зарядов)

Основой ЦАП этого типа является матрица конденсаторов, емкости которых соотносятся как целые степени двух.

Для хранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течении сколь-нибудь продолжительного времени к выходу ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время, как это могут делать ЦАП с суммированием весовых токов, снабженные регистром-защелкой, преобразователи на коммутируемых конденсаторах не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе Аналогоцифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимаемая подобной схемой.

ЦАП с суммированием напряжений

Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рисунке 2.6. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи S0…S255 может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный код D преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение UAB между выводами А и В, то напряжение между выводами W и B составит

 

        (3.6)

 

Рисунок 3.6 – Блок-схема ЦАП с суммированием напряжений

 

Достоинством данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом. Выпускается несколько моделей таких ЦАП. Недостаток схемы – необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2N) согласованных резисторов. Тем не менее, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-ти разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе.

 

Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей

 

Важную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов, «иголок», в выходном сигнале при смене кода.

При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой управляющие входы ключей ЦАП могут быть непосредственно подключены к выходам цифровых устройств, поэтому во многих моделях ИМС ЦАП, особенно ранних, сколь-нибудь существенная цифровая часть отсутствует. Если же ЦАП входит в состав микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных данных.

 

Параметры ЦАП

 

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал Uвых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 3.7), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

 

Рисунок 3.7 – Статическая характеристика преобразования ЦАП

 

Статические параметры

Разрешающая способность – приращение Uвых при преобразовании смежных значений Dj, т.е. отличающихся на ЕМР. Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования

 

,       (3.7)

 

где Uпш – номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы);

N – разрядность ЦАП.

Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность полной шкалы – относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

 

       (3.8)

 

Является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.

Погрешность смещения нуля – значение выходного напряжения, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:

 

       (3.9)

 

Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования Uвых(D) от оптимальной (линия 2 на рисунке 3.7). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рисунке 3.7.

 

       (3.10)

 

Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования Uвых(D) от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Обычно определяется в относительных единицах или в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рисунке 3.7.

 

      (3.11)

 

Монотонность характеристики преобразования – возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП Uвых при возрастании (уменьшении) входного кода D. Если дифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования h/Uпш, то характеристика преобразователя немонотонна.

Температурная нестабильность ЦА-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Погрешности полной шкалы и смещения нуля могут быть устранены калибровкой (подстройкой). Погрешности нелинейности простыми средствами устранить нельзя.

 

Динамические параметры

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины «все нули» до «все единицы» (рис. 3.8).

 

Рисунок 3.8 – Переходная характеристика ЦАП

 

Время установления – интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 3.8) до момента, когда в последний раз выполняется равенство

 

       (3.12)

 

Скорость нарастания – максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения ΔUвых ко времени τ, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ.

Для перемножающих ЦАП с выходом в виде напряжения часто указываются частота единичного усиления и мощностная полоса пропускания, которые в основном определяются свойствами выходного усилителя.

 

Шумы ЦАП

Шум на выходе ЦАП может появляться по различным причинам, вызываемым физическими процессами, происходящими в полупроводниковых устройствах. Для оценки качества ЦАП с высокой разрешающей способностью принято использовать понятие среднеквадратического значения шума. Измеряются обычно в нВ/(Гц)1/2 в заданной полосе частот.

Выбросы (импульсные помехи) – крутые короткие всплески или провалы в выходном напряжении, возникающие во время смены значений выходного кода за счет несинхронности размыкания и замыкания аналоговых ключей в разных разрядах ЦАП. Например, если при переходе от значения кода 011…111 к значению 100…000 ключ самого старшего разряда ЦА-преобразователя с суммированием весовых токов откроется позже, чем закроются ключи младших разрядов, то на выходе ЦАП некоторое время будет существовать сигнал, соответствующий коду 000…000.

Выбросы характерны для быстродействующих ЦАП, где сведены к минимуму емкости, которые могли бы их сгладить. Радикальным способом подавления выбросов является использование устройств выборки-хранения. Выбросы оцениваются по их площади (в пВ*с).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Проектирование аппаратной конфигурации

 

В значительном большинстве ни цифроаналоговые, ни аналого-цифровые преобразователи практически почти невозможно применять без знания типа используемого на входе или выходе цифрового кода и значения представленного им как цифрового, так и аналогового сигналов.

Преобразователи работают либо с однополярными, либо биполярными цифровыми кодами. К первым относятся прямой или обычный двоичный, и двоично-кодированный десятичный коды (ДДК). Ко вторым относятся двоичный код со смещением, код с дополнением до 1 и код с дополнением до 2. Код Грея можно использовать как при однополярном, так и биполярном применениях.

В обычном двоичном коде аналоговым величинам ставят в соответствие числа в позиционной системе счисления, при которой старший разряд имеет вес, равный 1/2 = 2-1, следующий за старшим разряд имеет вес, равный 1/4 = 2-2, и так далее, вплоть до младшего разряда с весом 1/2n. Значение двоичного числа определяется как полная сумма весов всех его ненулевых разрядов. Этот тип кода пригоден только для однополярного режима работы.

При биполярных операциях применяют двоичный код со смещением. Он является ничем иным, как обычным двоичным кодом, за исключением того, что нуль двоичного числа и нуль аналоговой величины не совпадают, как в обычном двоичном коде, а смещены таким образом, что двоичным нулем кодируется максимальное отрицательное значение аналоговой величины. Это дает возможность устанавливать в старшем разряде «0» для всех отрицательных и «1» для положительных аналоговых величин.

Дополнительный код используют в основном тогда, когда в дискретную форму необходимо преобразовать биполярные аналоговые величины, но при условии, что нулю аналоговой величины соответствует нуль двоичного числа. Данное условие обеспечивается простым инвертированием двоичного кода и инвертирование каждого «0» в «1» и наоборот только в старшем разряде кода. Этот код является просто двоичным кодом с инвертированным старшим разрядом.

При использовании дополнительного кода различия в преобразовании аналогового нулевого уровня приводят либо к коду с дополнением до 1, либо к коду с дополнением до 2. Если аналоговому интервалу, у которого значение нижней границы равно нулю, ставится в соответствие нуль двоичного числа, то получается код с дополнением до 1. Для кода с дополнением до 2 двоичный нуль ставится в соответствие аналоговому интервалу, в котором значение нуля располагается в центре этого интервала.

Еще одним двоичным кодом является код Грея. Этот код аналогичен обычному двоичному коду в том смысле, что каждая характерная совокупность кодов отображает определенную часть аналоговой области. Отсюда, однако, не следуют те же правила весов, что в обычном коде. В некоторых применениях, как, например, в кодирователях угла поворота вала, при этих кодах обеспечиваются меньшие погрешности, чем при других кодах.

Специфическую связь между обычным двоичным кодом и кодом Грея наилучшим образом можно проиллюстрировать при преобразовании обычного двоичного кода в код Грея на приведенном далее примере для двоичного эквивалента числа 27, которое изображается как 11011. Чтобы преобразовать это число в код Грея, поступаем следующим образом. Старший разряд кода Грея будет таким же, как и старший разряд обычного двоичного кода. Каждый следующий после старшего разряд двоичного кода будет давать в коде Грея «1» при изменении двоичного кода (при переходе от «0» к «1» или наоборот) или «0» при отсутствии изменения в двоичном коде, в коде Грея изображается как 10110.

Двоично-кодированный десятичный код (ДДК) типа 8–4–2–1 является кодом, в котором каждый разряд представляется четырьмя двоичными разрядами. Если исходить из старшего разряда этого ДДК, следующий менее значащий разряд представляет вес 0,1. Последующий за старшими разрядами младший разряд имеет вес 0,01, а каждой четверке может быть присвоено любое значение от 1 до 9. Такой код широко применяется в цифровом вольтметре и на входах измерительного щита управления, а создается он входным АЦП.

Имеется несколько других кодов, многие из которых являются сочетаниями или комбинациями данных основных кодов. Однако основные коды уже упоминались при рассмотрении множества кодов, используемых в настоящее время в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях. Все эти коды перечислены в таблице 2.1, из которой видно как они различаются для гипотетического диапазона напряжений.