Цифро-аналоговые преобразователи

В интегральных ЦАП входным сигналом чаще всего является двоичный позиционный код, а выходным – напряжение постоянного тока. Цифро-аналоговое преобразование состоит в суммировании эталонных значений напряжения, соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании будут участвовать только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит 1. Структурная схема ЦАП в общем виде показана на рис. 4.43.

Для ЦАП выходное напряжение определяется из выражения

,

где - опорное (эталонное) значение напряжения; - коэффициенты двоичных разрядов, принимающих значения 0 или 1 начиная со старшего.

Основными параметрами ЦАП являются:

1. Разрешающая способность, определяемая количеством двоичных разрядов n входного кода и характеризующаяся возможным количеством уровней аналогового сигнала N=2ⁿ;

2.Точность, определяемая наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от расчетного. Она обычно выражается в виде половины уровня сигнала, соответствующего младшему значащему разряду (МЗР). Суммарная ошибка, вносимая элементами ЦАП, не должна превышать указанную погрешность квантования;

3. Нелинейность, характеризующаяся максимальным отклонением линейно-нарастающего выходного напряжения от прямой линии, соединяющей точки нуля и максимального выходного напряжения (обычно не выше значения МЗР);

4. Время преобразования (установления), определяемое интервалом от момента подачи цифрового сигнала до момента достижения выходным сигналом установившегося значения.

Как правило, ЦАП содержит: резистивную матрицу, с помощью которой формируются выходные сигналы, пропорциональные входному коду; набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов; источник опорного стабилизированного напряжения и выходной усилитель.

Резистивная матрица может иметь различную структуру. Один из ее вариантов с весовыми резисторами показан на рис. 4.44.

Здесь каждому разряду соответствует свой разрядный ток I₁, I₂, …, I_n. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, сопротивления которых удваиваются при переходе от старшего разряда к младшему (т.е. I₂=I₁/2 и т.д.). Основной недостаток рассмотренной структуры – широкий диапазон сопротивлений и их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода. Другой вариант резистивной матрицы типа R-2R, получивший широкое распространение, показан на рис. 4.45. Здесь используются резисторы только двух номиналов. Не трудно показать, что при переходе от старшего разряда к младшему ток уменьшается в два раза, как и в схеме, показанной на рис. 4.44.

 

Токовые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить заметных погрешностей в разрядные токи (иметь малое сопротивление в открытом состоянии). Обычно ключи строятся на биполярных или полевых транзисторах. Вариант ключа на МДП-транзисторах с индуцированным каналом приведен на рис. 4.46.

При подаче на вход ключа сигнала транзистор Т₁ закрыт, а транзистор Т₂ открыт и закорачивает разрядный ток матрицы на землю. При поступлении на вход ключа сигнала транзистор Т₂ закрывается а транзистор Т₁ открывается и разрядный ток матрицы поступает на общую сигнальную шину.

Выходным усилителем обычно служит операционный усилитель, который суммирует разрядные токи и преобразует их в напряжение. Напряжение на выходе ОУ пропорционально входному коду. Для схемы ЦАП, приведенной на рис. 45., выходное напряжение равно

.