Цап с резистивными цепочками

 

Цифро-аналоговый преобразователь (код-аналог) предназначен для преобразования входного сигнала, заданного в цифровом коде в аналоговый выходной сигнал.

Применение ЦАП:

· при построении аналого-цифровых преобразователей;

· при построении калибраторов постоянного и переменного тока и напряжения, сопротивления, силы тока, емкости, индуктивности и др.;

· при построении систем регулирования и моделирования;

· в технике воспроизведения цифровой записи звука и видеоизображения.

Иногда ЦАП может применяться в качестве умножающего устройства для перемножения значения силы тока на входной код.

Существует ряд методов цифро-аналогового преобразования. Широко используются ЦАП, выполненные на основе резистивной матрицы. Наиболее общие типы электронных ЦАП:

1. Широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в высококлассной аудиотехнике.

2. ЦАП передискретизации, такие как дельта-сигма ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (с постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра высоких частот для шума квантования. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность — до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

3. Взвешивающий ЦАП, в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов. По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит.

4. Цепная R-2R–схема является вариацией взвешивающего ЦАП. В R-2R–ЦАП взвешенные значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R. Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости.

5. Сегментный ЦАП содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду.

6. Гибридные ЦАП используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.

 

 

Рис. 1.20.

 

Наиболее распространенным является метод суммирования на одну нагрузку токов или напряжений с весами 2n с помощью ключей, управляемых входным цифровым кодом (рис. 1.20).

Входной код определяет положение переключателей: левое положение (рис. 1.21 а) соответствует состоянию «1» в данном разряде (а_i = 1), правое – состоянию «0» (а_i = 0). На рис. 1.21, а переключатели для наглядности показаны электромеханическими, на самом деле они реализованы на сдвоенных полевых транзисторах (рис. 1.21 б).

 

 

Рис. 1.21

 

Источник опорного напряжения U₀ вместе с резистивной цепочкой R–2R и переключателями образуют преобразователь входного кода числа N в выходной ток I, а операционный усилитель ОУ и резистор обратной связи R_ос – преобразователь тока I в напряжение U.

Резистор R_ос входит в состав той же матрицы резисторов, что и цепочка R–2R, поэтому отношение R_ос/R получается стабильным, стабильнее, чем R, т.е. q _U стабильнее, чем q _I. Операционный усилитель ОУ может быть внешним, но R_ос входит в состав микросхемы. Так сделаны микросхемы 572-й серии: К572ПА1 (10 двоичных разрядов, время цикла преобразования 5 мкс) и К572ПА2 (12 разрядов, 15 мкс). Обратим внимание, что увеличение числа разрядов на два приводит к увеличению времени преобразования в три раза!

Конструктивно ЦАП может быть оформлен в виде одной микросхемы, которая в минимальном составе может содержать только цепочку сопротивлений, ключи и усилитель. Однако такой состав не дает возможности нормировать метрологические характеристики, а потому подобные микросхемы не могут выполнять функции средства измерений. Поэтому ЦАП, который может считаться средством измерений, должен содержать в своем составе, как минимум, следующие обязательные компоненты: источник стабильного рабочего тока и стабилизатор напряжения питания. Помимо этого в каждом ЦАП, предназначенном для совместной работы с компьютером (процессором) должно быть предусмотрено устройство интерфейсного сопряжения с компьютером и устройство гальванической развязки по цифровому входу/выходу, как это схематически показано на рис. 1.21.

 

 

Рис. 1.21

 

 

=======================================================================================

ВОПРОСЫ:

1. Цифровая измерительная техника и ее средства

2. Аналоговое и цифровое представление информации

3. Цифровая измерительная техника и современная теория измерений

4. Элементарные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи

5. АЦП поразрядного уравновешивания

6. АЦП интегрирующие, развертывающего преобразования, “частота – код”, “интервал времени – код”

7. ЦАП с резистивными цепочками

 

ВАЖНЕЙШИЕ ТИПЫ КОДИРОВАННЫХ ШКАЛ

 

ВИДЫ ШКАЛ И ИХ ОСОБЕННОСТИ

 

Проблема обеспечения высокого качества продукции тесным образом связана с проблемой качества измерений. Между ними явно прослеживается непосредственная связь: там, где качество измерений не соответствует требованиям технологического процесса, невозможно достичь высокого уровня качества продукции. Поэтому качество продукции в значительной степени зависит от успешного решения вопросов, связанных с точностью измерений параметров качества материалов и комплектующих изделий и поддержания заданных технологических режимов. Иными словами, технический контроль качества осуществляется путем замеров параметров технологических процессов, результаты измерений которых необходимы для регулирования процессом.

Следовательно, качество измерений представляет собой совокупность свойств состояния измерений, обеспечивающих результаты измерений с требуемыми точностными характеристиками, получаемые в необходимом виде за определенный отрезок времени.

Основные свойства состояния измерений:

· точность результатов измерений;

· воспроизводимость результатов измерений;

· сходимость результатов измерений;

· быстрота получения результатов;

· единство измерений.

При этом под воспроизводимостью результатов измерений понимается близость результатов измерений одной и той же величины, полученные в разных местах, разными методами, разными средствами, разными операторами, в разное время, однако в одних и тех же условиях измерений (температуре, давлении, влажности и т.д.).

Сходимость результатов измерений — это близость результатов измерений одной и той же величины, проведенных повторно с применением одних и тех же средств, одним и тем же методом в одинаковых условиях и с той же тщательностью.

Любое измерение или количественное оценивание чего-либо осуществляется, используя соответствующие шкалы.

Шкала — это упорядоченный ряд отметок, соответствующий соотношению последовательных значений измеряемых величин. Шкалой измерений называется принятая по соглашению последовательность значений одноименных величин различного размера.

В метрологии шкала измерений является средством адекватного сопоставления и определения численных значений отдельных свойств и качеств различных объектов. Практически используют пять видов шкал: шкалу наименований, шкалу порядка, шкалу интервалов, шкалу отношений и шкалу абсолютных значений.

Шкала наименований (номинальная шкала). Это самая простая из всех шкал. В ней числа выполняют роль ярлыков и служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. Числа, составляющие шкалу наименований, разрешается менять местами. В этой шкале нет отношений типа «больше—меньше», поэтому некоторые полагают, что применение шкалы наименований не стоит считать измерением. При использовании шкалы наименований могут проводиться только некоторые математические операции. Например, ее числа нельзя складывать и вычитать, но можно подсчитывать, сколько раз (как часто) встречается то или иное число.

Шкала порядка. Места, занимаемые величинами в шкале порядка, называются рангами, а сама шкала называется ранговой, или неметрической. В такой шкале составляющие ее числа упорядочены по рангам (т.е. занимаемым местам), но интервалы между ними точно измерить нельзя. В отличие от шкалы наименований шкала порядка позволяет не только установить факт равенства или неравенства измеряемых объектов, но и определить характер неравенства в виде суждений: «больше—меньше», «лучше—хуже» и т.п.

С помощью шкал порядка можно измерять качественные, не имеющие строгой количественной меры, показатели. Особенно широко эти шкалы используются в гуманитарных науках: педагогике, психологии, социологии. К рангам шкалы порядка можно применять большее число математических операций, чем к числам шкалы наименований.

Шкала интервалов. Это такая шкала, в которой числа не только упорядочены по рангам, но и разделены определенными интервалами. Особенность, отличающая ее от описываемой дальше шкалы отношений, состоит в том, что нулевая точка выбирается произвольно. Примерами могут быть календарное время (начало летоисчисления в разных календарях устанавливалось по случайным причинам, температура, потенциальная энергия поднятого груза, потенциал электрического поля и др.).

Результаты измерений по шкале интервалов можно обрабатывать всеми математическими методами, кроме вычисления отношений. Данные шкалы интервалов дают ответ на вопрос «на сколько больше?», но не позволяют утверждать, что одно значение измеренной величины во столько-то раз больше или меньше другого. Например, если температура повысилась с 10 до 20°С, то нельзя сказать, что стало в два раза теплее.

Шкала отношений. Эта шкала отличается от шкалы интервалов только тем, что в ней строго определено положение нулевой точки. Благодаря этому шкала отношений не накладывает никаких ограничений на математический аппарат, используемый для обработки результатов наблюдений.

По шкале отношений измеряют и те величины, которые образуются как разности чисел, отсчитанных по шкале интервалов. Так, календарное время отсчитывается по шкале интервалов, а интервалы времени — по шкале отношений.

При использовании шкалы отношений (и только в этом случае!) измерение какой-либо величины сводится к экспериментальному определению отношения этой величины к другой подобной, принятой за единицу. Измеряя длину объекта, мы узнаем, во сколько раз эта длина больше длины другого тела, принятого за единицу длины (метровой линейки в данном случае) и т.п. Если ограничиться только применением шкал отношений, то можно дать другое (более узкое, частное) определение измерения: измерить какую-либо величину — значит найти опытным путем ее отношение к соответствующей единице измерения.

Шкала абсолютных величин. Во многих случаях напрямую измеряется величина чего-либо. Например, непосредственно подсчитывается число дефектов в изделии, количество единиц произведенной продукции, сколько студентов присутствует на лекции, количество прожитых лет и т.д., и т.п. При таких измерениях на измерительной шкале отмечаются абсолютные количественные значения измеряемого. Такая шкала абсолютных значений обладает и теми же свойствами, что и шкала отношений, с той лишь разницей, что величины, обозначенные на этой шкале, имеют абсолютные, а не относительные значения.

Результаты измерений по шкале абсолютных величин имеют наибольшую достоверность, информативность и чувствительность к неточностям измерений.

Шкалы интервалов, отношений и абсолютных величин называются метрическими, так как при их построении используются некоторые меры, т.е. размеры, принятые в качестве единиц измерений.

 

ШКАЛЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

 

На рис. 2.1 показана структура, объединяющая выходные токи нескольких элементарных ЦАП, выполненных по рис. 1.9, в общей полезной нагрузке. Суммарный выходной ток может быть записан в следующем виде: I _out = ∑I_iα_i, где I_i – ток i-го источника, а i принимает значение «0», если i-й ключ находится в нижнем по схеме положении (направляя ток мимо нагрузки), и «1», если i-й ток идет через ключ в нагрузку.

Сравним это выражение с формулой для нахождения числового значения n-разрядной кодовой комбинации, состоящей из двоичных символов α_i, при условии, что код – взвешенный, т.е. единице i-го разряда присвоен определенный вес m_i (числовое значение пониматься как целое число): N = ∑m_iα_i.

Видно, что если подогнать токи в структуре по рис. 2.1 так, чтобы было выполнено условие I_i = m_iI_i, то получится I_out = NI_i. В частности, для натурального числа N, выраженного в двоичной системе счисления (иначе говоря, для натурального двоичного кода), при счете разрядов с единицы, m_i = 2^i-1, т.е. перечень весов выглядит так: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и т.д.

 

Рис. 2.1.

 

В данном случае физическая аддитивность токов обеспечивает подобие системы токов I_i системе весов двоичных разрядов кода m_i. Выбирая разные системы весов m_i для подгонки токов, получим шкалы токов для различных взвешенных кодов, или, иначе говоря, построим цифро-аналоговые преобразователи, работающие в этих кодах. В частности, в двоичном ЦАП должно быть I_i = 2^i-1I₁.

Известен вариант структуры ЦАП с источниками одинаковых токов I, в котором необходимое соотношение весов получается с помощью делителя токов. В двоичном ЦАП такой делитель строится на резисторах двух номиналов: R и2R (рис. 2.2), при этом вклад каждого (i + 1)-го тока в выходной сигнал вдвое превышает вклад i-го тока.

 

 

Рис. 2.2.

 

Отметим, что ЦАП со встроенными резистивными делителями тока могут работать как преобразователи код — напряжение без внешней нагрузки; при этом контур, показанный на рис. 2.2 прерывистой линией, размыкается.

На основе цифроаналоговых преобразователей, в том числе выполненных по структурам рисунков 2.1 или 2.2, строятся и АЦП. Ниже на рис. 2.3 показана одна из возможных структур, в которой из преобразуемого напряжения U_X вычитается падение напряжения, создаваемое выходным током I_DAC цифроаналогового преобразователя (ЦАП) на резисторе R, так что между входами компаратора получается напряжение, близкое к нулю. Указанное направление тока I_DAC (противоположное изображенному выше на рис. 2.1 и 2.2) типично для ЦАП со стабилизаторами тока, построенными на n-p-n-транзисторах. Автомат уравновешивания, получающий сигнал от компаратора, изменяет по заданному алгоритму управляющий код ЦАП, одновременно являющийся выходным кодом. Предполагается, что в результате выполнения этого алгоритма достигается приближенное равенство U_X ~ I_DACR следовательно, выход N_OUT соответствует преобразуемому напряжению.

Наиболее часто в автомате уравновешивания используется так называемый регистр последовательных приближений, затрачивающий по одному такту на получение каждого двоичного разряда; соответственно всю структуру называют АЦП последовательных приближений. Реже автоматом уравновешивания служит реверсивный счетчик, меняющий направление счета импульсов тактового генератора в зависимости от сигнала компаратора; тогда говорят о следящем АЦП.

 

 

Рис. 2.3.