Цифро-аналоговый преобразователь


СОДЕРЖАНИЕ:

Урок 14: Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Принципы работы АЦП и ЦАП

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП, DAC) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП, ADC) главным образом применяются для сопряжения цифровых устройств и систем с внешними аналоговыми сигналами, с реальным миром. При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы во входные цифровые сигналы, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки или хранения, а ЦАП преобразует выходные цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы.

ЦАП и АЦП применяются в измерительной технике (цифровые осциллографы, вольтметры, генераторы сигналов и т.д.), в бытовой аппаратуре (телевизоры, музыкальные центры, автомобильная электроника и т.д.), в компьютерной технике (ввод и вывод звука в компьютерах, видеомониторы, принтеры и т.д.), в медицинской технике, в радиолокационных устройствах, в телефонии и во многих других областях. Применение ЦАП и АЦП постоянно расширяется по мере перехода от аналоговых к цифровым устройствам. В качестве ЦАП и АЦП обычно применяются специализированные микросхемы, выпускаемые многими отечественными и зарубежными фирмами.

ЦАП

Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.

В общем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока, имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход.

На цифровые входы ЦАП подается n-разрядный код N, на аналоговый вход — опорное напряжение Uоп (другое распространенное обозначение — UREF). Выходным сигналом является напряжение Uвых (другое обозначение — U0) или ток Iвых (другое обозначение — I0). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорциональны входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение.

Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах.

ЦАП преобразовывает сигнал в соответствии со следующей таблицей:

Входной код Выходное напряжение, В
0,0000
0,3125
0,6250
0,9375
1,2500
1,5625
1,8750
2,1875
2,5000
2,8125
3,1250
3,4375
3,7500
4,0625
4,3750
4,6875

АЦП

Микросхемы АЦП выполняют функцию, прямо противоположную функции ЦАП, — преобразуют входной аналоговый сигнал в последовательность цифровых кодов. В общем случае микросхему АЦП можно представить в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала. Часто микросхема АЦП имеет также вход для подачи тактового сигнала CLK, сигнал разрешения работы CS и сигнал, говорящий о готовности выходного цифрового кода RDY. На микросхему подается одно или два питающих напряжения и общий провод. В целом микросхемы АЦП сложнее, чем микросхемы ЦАП, их разнообразие заметно больше, и поэтому сформулировать для них общие принципы применения сложнее.

Опорное напряжение АЦП задает диапазон входного напряжения, в котором производится преобразование. Оно может быть постоянным или же допускать изменение в некоторых пределах. Иногда предусматривается подача на АЦП двух опорных напряжений с разными знаками, тогда АЦП способен работать как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями. Выходной цифровой код N (n-разрядный) однозначно соответствует уровню входного напряжения. Код может принимать 2n значений, то есть АЦП может различать 2n уровней входного напряжения. Количество разрядов выходного кода n представляет собой важнейшую характеристику АЦП. В момент готовности выходного кода выдается сигнал окончания преобразования RDY, по которому внешнее устройство может читать код N. Управляется работа АЦП тактовым сигналом CLK, который задает частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота — второй важнейший параметр АЦП. Сигнал CS разрешает работу микросхемы.

Для преобразования аналогового (непрерывного) сигнала в цифровой необходимо выполнить три операции: дискретизация, квантование и кодирование.

Дискретизация — это представление непрерывной функции (т. е. какого-то сигнала) в виде ряда дискретных отсчетов.

При квантовании шкала сигнала разбивается на уровни. Отсчеты помещаются в подготовленную сетку и преобразуются в ближайший номер уровня квантования.

Кодирование — это сопоставление элементов сигнала с некоторой кодовой комбинацией символов.

Реферат: Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Министерство образования и науки Украины

Одесская национальная морская академия

Кафедра морской электроники

по дисциплине «Системы сбора и обработки телеметрической информации»

Проверил: ст. преподаватель

2. Общие сведения

3. Последовательные ЦАП

4. Параллельные ЦАП

5. Применение ЦАП

6. Параметры ЦАП

7. Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).

Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

o По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.

o По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.

o По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

o По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рис. 1. Классификация ЦАП

ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис. 1а.

Рис. 1. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S . В зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых g =t и /Т определяется соотношением

где N — разрядность преобразования, а D — преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя

Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток — низкое быстродействие.

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Рассмотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для получения N -разрядного преобразования необходимы 2 N временных квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

В этой схеме емкости конденсаторов С 1 и С 2 равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С 2 разряжается ключом S 4 . Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда d . Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С 1 заряжается до опорного напряжения U оп при d =1 посредством замыкания ключа S 1 или разряжается до нуля при d =0 путем замыкания ключа S 2 . Во втором полутакте при разомкнутых ключах S 1 , S 2 и S 4 замыкается ключ S 3 , что вызывает деление заряда пополам между С 1 и С 2 . В результате получаем

Пока на конденсаторе С 2 сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С 1 должна быть повторена для следующего разряда d 1 входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет

Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В результате для N -разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно

Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2 3 =8, у третьего разряда — 2 2 =4, у второго — 2 1 =2 и у младшего (МЗР) — 2 0 =1. Если вес МЗР IМЗР =1 мА, то IСЗР =8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя Iвых.макс =15 мА и соответствует коду 11112 . Понятно, что коду 10012 , например, будет соответствовать Iвых =9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде — 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Рис. 4. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения (рис. 5), который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление Rн , то его входное сопротивление Rвх также должно принимать значение Rн . Коэффициент ослабления цепи a=U2 /U1 при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих условий получаем следующие выражения для сопротивлений:

При двоичном кодировании a =0,5. Если положить Rн =2R, то Rs =R и Rp =2R в соответствии с рис.4.

Поскольку в любом положении переключателей Sk они соединяют нижние выводы резисторов с общей шиной схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление Rвх =R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно рис. 4, выходные токи схемы определяются соотношениями

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей Sk соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от Uоп линейно (см. (8)), преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими (MDAC).

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. Например, в 10-разрядном ЦАП AD7520 ключевые МОП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади и их сопротивление R нарастает согласно двоичному коду (20, 40, 80, : , 640 Ом). Таким способом уравниваются (до 10 мВ) падения напряжения на ключах первых шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной характеристики ЦАП. 12-разрядный ЦАП 572ПА2 имеет дифференциальную нелинейность до 0,025% (1 МЗР).

ЦАП на МОП ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей. Тот же 572ПА2 имеет время установления выходного тока при смене входного кода от 000. 0 до 111. 1, равное 15 мкс. 12-разрядный DAC7611 фирмы Burr-Braun имеет время установления выходного напряжения 10 мкс. В то же время ЦАП на МОП-ключах имеют минимальную мощность потребления. Тот же DAC7611 потребляет всего 2,5 мВт. В последнее время появились модели ЦАП рассмотренного выше типа с более высоким быстродействием. Так 12-разрядный AD7943 имеет время установления тока 0,6 мкс и потребляемую мощность всего 25 мкВт. Малое собственное потребление позволяет запитывать такие микромощные ЦАП прямо от источника опорного напряжения. При этом они могут даже не иметь вывода для подключения ИОН, например, AD5321.

ЦАП на источниках тока

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема ЦАП на источниках тока

Весовые токи формируются с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами. Правый резистор матрицы подключен не к общей шине, как на схеме рис. 4, а к двум параллельно включенным одинаковым транзисторам VT и VTн , в результате чего ток через VT равен половине тока через VT1 . Входное напряжение для резистивной матрицы создается с помощью опорного транзистора VTоп и операционного усилителя ОУ1, выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток транзистора VTоп принимает значение Iоп . Выходной ток для N-разрядного ЦАП

Характерными примерами ЦАП на переключателях тока с биполярными транзисторами в качестве ключей являются 12-разрядный 594ПА1 с временем установления 3,5 мкс и погрешностью линейности не более 0,012% и 12-разрядный AD565, имеющий время установления 0,2 мкс при такой же погрешности линейности. Еще более высоким быстродействием обладает AD668, имеющий время установления 90 нс и ту же погрешность линейности. Из новых разработок можно отметить 14-разрядный AD9764 со временем установления 35 нс и погрешностью линейности не более 0,01%. В качестве переключателей тока Sk часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд. Схема переключателя тока на дифференциальных усилителях приведена на рис. 7.

Дифференциальные каскады VT1 -VT3 и VT’ 1 -VT’ 3 образованы из стандартных ЭСЛ вентилей. Ток Ik , протекающий через вывод коллектора выходного эмиттерного повторителя является выходным током ячейки. Если на цифровой вход Dk подается напряжение высокого уровня, то транзистор VT3 открывается, а транзистор VT’ 3 закрывается. Выходной ток определяется выражением

Точность значительно повышается, если резистор Rэ заменить источником постоянного тока, как в схеме на рис. 6. Благодаря симметрии схемы существует возможность формирования двух выходных токов — прямого и инверсного. Наиболее быстродействующие модели подобных ЦАП имеют входные ЭСЛ-уровни. Примером может служить 12-ти разрядный МАХ555, имеющий время установления 4 нс до уровня 0,1%. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.

Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код — аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы. Ниже рассмотрены некоторые схемы обработки сигналов, включающие ЦА-преобразователи.

Обработка чисел, имеющих знак

До сих пор при описании цифро-аналоговых преобразователей входная цифровая информация представлялась в виде чисел натурального ряда (униполярных). Обработка целых чисел (биполярных) имеет определенные особенности. Обычно двоичные целые числа представляются с использованием дополнительного кода. Таким путем с помощью восьми разрядов можно представить числа в диапазоне от -128 до +127. При вводе чисел в ЦАП этот диапазон чисел сдвигают до 0. 255 путем прибавления 128. Числа, большие 128, при этом считаются положительными, а числа, меньшие 128, — отрицательными. Среднее число 128 соответствует нулю. Такое представление чисел со знаком, называется смещенным кодом. Прибавление числа, составляющего половину полной шкалы данной разрядности (в нашем примере это 128), можно легко выполнить путем инверсии старшего (знакового) разряда. Соответствие рассмотренных кодов иллюстрируется табл. 1.

Связь между цифровыми и аналоговыми величинами

6 лучших цифро-аналоговых преобразователей

Многие люди до сих пор не знают о том, насколько полезными устройствами являются цифро-аналоговые преобразователи (или, как их ещё называют, внешние ЦАПы). Такой девайс конвертирует цифровой аудиосигнал в аналоговый, передавая его на наушники или акустическую систему. При этом он справляется со своей задачей лучше, чем, например, blu-ray плеер. Это позволяет наслаждаться качественным звуком, к которому не будет никаких претензий. Особенно если вы используете очень хорошие колонки, да и сам ЦАП не подкачал. О лучших цифро-аналоговых преобразователях читайте ниже.

Цифро-аналоговый преобразователь какой фирмы выбрать

Работать со звуком крайне сложно. Существует множество алгоритмов его обработки, благодаря которым цифровая музыка превращается в аналоговую. Для реализации наиболее качественных из них требуются очень дорогие комплектующие. Нужно ли говорить, что некоторые производители от них отказываются, стремясь сэкономить несколько долларов на каждом устройстве?

Если вы не желаете разочароваться в покупке, то обратите внимание на товары следующих компаний:

4. Cambridge Audio

Эти производители собаку съели на создании качественной аудиотехники. В их продукции вы можете не сомневаться. Хотя разочаровывающие своим качеством изделия всё же попадаются — в основном это касается самых дешевых ЦАПов.

Лучшие компактные цифро-аналоговые преобразователи

M-Audio Super DAC

Это устройство представляет собой относительно небольшую коробочку, большую часть верхней панели которой занимает поворотный регулятор. Присутствуют здесь и несколько светодиодных индикаторов, свидетельствующих о статусе работы и выбранной частоте дискретизации.

M-Audio Super DAC может взаимодействовать с самыми разными устройствами. На одном из его торцов имеется миниатюрный переключатель. С его помощью можно выбрать, что именно сейчас подключено к преобразователю — наушники или колонки. Во втором случае сила звука будет увеличена.

Также покупателей должны порадовать два разъема для наушников: мини-джек и полноценный 6,3-миллиметровый джек. Второй разъем является позолоченным, он используется для подключения самых дорогих наушников без применения переходника. Питание ЦАП получает через USB-разъем.

Достоинства:

  • В комплекте есть блок питания;
  • Симпатичный внешний вид;
  • Шесть частот дискретизации на выбор;
  • Два гнезда для наушников;
  • Удобные переключатели;
  • Имеются оптический, коаксиальный и линейный выходы;
  • Используется качественный аудиочип от Wolfson;
  • Миниатюрные размеры.

Недостатки:

  • Перед первым использованием придется установить драйвера;
  • Стоимость понравится не каждому.

Arcam miniBlink

Очень небольшой цифро-аналоговый преобразователь, который внешне не похож ни на одну другую модель. При взгляде на него возникают ассоциации с черным яйцом или летающей тарелкой. В отличие от большинства конкурентов, девайс располагает беспроводным модулем Bluetooth с поддержкой aptX. Если этим же цифровым кодеком наделен ваш смартфон, то на выходе вы получите замечательное качество звучания, близкое к CD-Audio. Среди других поддерживаемых кодеков — AAC и SBC.

Устройство можно использовать только в беспроводном режиме. На его корпусе можно обнаружить лишь два разъема — micro-USB и мини-джек. К последнему подключаются наушники или небольшие колонки. Покупка Arcam miniBlink рекомендуется только тем, кто имеет в своём смартфоне поддержку технологии aptX, но не располагает беспроводной гарнитурой, умеющий декодировать такой сигнал.

Достоинства:

  • Коэффициент гармоник не превышает 0,002%;
  • Стильный дизайн;
  • Поддержка кодека aptX;
  • Беспроводной метод приема сигнала;
  • Качественный центральный аудиопроцессор PCM 5102;
  • Отсутствие каких-либо серьезных настроек;
  • Очень маленькие размеры.

Недостатки:

  • Нет кнопки включения;
  • Высокая стоимость;
  • Не принимает звук по проводу.

FiiO DO3K Taishan

Размеры этого устройства составляют 62 x 21 x 49 мм. Иногда кажется, что большую часть преобразователя занимают разъемы — настолько компактная сюда встроена электроника. Девайс легко можно спрятать куда-нибудь за телевизор, чтобы он лишний раз не попадался на глаза. Подключать к нему можно самую разную технику — те же телевизоры, либо мини-системы (музыкальные центры), или даже игровые приставки. Для подключения используются коаксиальный и оптический входы. USB-разъем используется только блоком питания, к компьютеру с его помощью подключить ЦАП не получится.

Цифро-аналоговый преобразователь способен существенно улучшить звук. Усиление достигает 3,5 дБ. Коэффициент гармоник здесь не превышает 0,01%, что весьма неплохо для столь компактного устройства. В числе выходов здесь присутствуют RCA и мини-джек. Стало быть, можно послушать музыку и в наушниках. Пожалуй, FiiO DO3K Taishan представляет собой лучшее соотношение цены и качества.

Достоинства:

  • Поддержка сигнала вплоть до 192 кГц/24 бит;
  • Миниатюрные габариты;
  • Нашлось место для коаксиального и оптического входа;
  • Адаптер питания имеется в комплекте;
  • Присутствуют позолоченные разъемы;
  • Имеется световой индикатор получения сигнала;
  • Относительно невысокий ценник.

Недостатки:

  • В наушниках звук всё же может показаться не самым лучшим;
  • Нет регулировки выходного сигнала.

Лучший цифро-аналоговый преобразователь для ПК

M-Audio Micro DAC 24/192

Этот гаджет вполне может считаться внешней звуковой картой. Он подключается к USB-порту, а его размеры едва превышают габариты обычной флэшки. При этом на корпусе можно обнаружить несколько светодиодных индикаторов. На торце же находятся два разъема — мини-джек и цифровой оптический выход. Кабель для второго разъема уже имеется в комплекте — это приятно, так как покупать его отдельно достаточно накладно.

Девайс располагает переключателем коэффициента усиления. Это позволяет подключать к нему самые разные наушники, отличающиеся по своему сопротивлению. USB-штекер и аналоговый 3,5-миллиметровый разъем являются позолоченными. Это должно исключить помехи и повысить стабильность электрического соединения. От внешних помех защищают SMD-компоненты. Отчасти их применение сказалось на стоимости продукта, которую нельзя назвать низкой.

Достоинства:

  • Алюминиевый корпус, приятный на ощупь;
  • Поддержка аудиосигнала вплоть до 24 бит/192 кГц;
  • На корпусе имеется оптический выход и 3,5-миллиметровый разъем;
  • Используется переключатель усиления;
  • В комплекте присутствует оптический кабель;
  • Работает с Windows и MacOS;
  • Компактные габариты;
  • USB и мини-джек позолочены.

Недостатки:

  • Ценник кажется завышенным;
  • Количество аудиовыходов устроит не каждого.

Лучшие стационарные цифро-аналоговые преобразователи

Atoll DAC 100SE

Очень дорогой Hi-Fi компонент, который придаст музыке глубину и насыщенность. Корпус устройства прошел через специальную обработку, в результате чего он полностью защищен от вибрации и внешних помех. Устойчивости способствуют и резиновые ножки, на которых прибор стоит. Передняя панель здесь является пристанищем для нескольких кнопок и световых индикаторов. Разъемы же находятся на задней стенке. Среди них можно обнаружить линейный (RCA), оптический и коаксиальный выходы.

В качестве центрального аудиопроцессора здесь используется Burr-Brown PCM 1796, сходящий с конвейера Texas Instruments. Также под корпусом скрываются два отдельных трансформатора Zarel, которые несут ответственность за аналоговую и цифровую секции. Ещё в схематехнике Atoll DAC 100SE присутствуют семь стабилизированных источников питания. Всё это привело к очень низкому коэффициенту гармоник. Использовать ЦАП можно в паре с телевизором, игровой консолью, CD-проигрывателем и прочей подобной техникой.

Достоинства:

  • Антивибрационный алюминиевый корпус;
  • Очень долгий срок службы;
  • Два силовых трансформатора, отвечающих за разные секции;
  • Коаксиальный, линейный и оптический выходы;
  • В числе входов — USB, три оптических и три коаксиальных;
  • Коэффициент гармонических искажений — лишь 0,001%;
  • Один из лучших аудиопроцессоров.

Недостатки:

  • Ценник отпугнёт многих потенциальных покупателей;
  • Пульт ДУ продается отдельно;
  • Нет выхода на наушники.

Cambr >

Цифро-аналоговый преобразователь с внешним видом на любителя. Его лицевая панель наделена двумя рядами световых индикаторов, один из которых говорит о текущей частоте дискретизации. Устройство можно подключить к игровой консоли, телевизору, музыкальному центру и прочей аудио- и видеотехнике. Для этого предназначены два коаксиальных и один оптический разъем. Также разработчики добавили возможность принимать сигнал с компьютера, для чего используется USB-вход.

Внутри этого преобразователя находится аудиопроцессор Wolfson WM8742. Стоимость устройства — весьма невысокая для такого класса, в связи с чем самого низкого коэффициента гармоник ждать не стоит. Равно как разочаровать способно число выходов, в которое входит только линейный разъем (RCA). В наш рейтинг преобразователь попал только благодаря качеству звучания и продолжительному сроку службы.

Достоинства:

  • Металлический корпус;
  • Качественный центральный аудиопроцессор;
  • Приличное число входов;
  • Не самый высокий коэффициент гармоник (0,0025%);
  • Шесть частот дискретизации на выбор;
  • Стоимость большая, но не завышенная.

Недостаток:

  • Минимальное количество аудиовыходов.

Какой цифро-аналоговый преобразователь купить

1. Если вы желаете получить компактное устройство с возможностью регулировки частоты дискретизации, то выберите M-Audio Super DAC.

2. В сторону Arcam miniBlink следует смотреть владельцам смартфонов, наделенных цифровым кодеком aptX.

3. FiiO DO3K Taishan — это оптимальное соотношение цены к качеству. Устройство наделено не самым большим числом разъемов, но и стоит оно весьма недорого.

4. Для вывода качественного звука с компьютера следует использовать M-Audio Micro DAC 24/192. Но при этом вам предстоит обзавестись акустикой с оптическим входом или очень хорошими наушниками.

5. Atoll DAC 100SE и Cambridge Audio DacMagic 100 созданы для любителей Hi-Fi оборудования. Эти преобразователи способны принимать цифровой сигнал с нескольких устройств одновременно, превращая его в аналоговый и отправляя на акустику.

Друзьям это тоже будет интересно

Хочешь получать актуальные рейтинги и советы по выбору? Подпишись на наш Telegram.

Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и необходимы для согласования цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. ЦАП можно представить в виде управляемого цифровыми сигналами потенциометра, который формирует аналоговый сигнал в виде части тока или напряжения от их целых величин.

Параметры ЦАП

Цифро-аналоговые преобразователи описываются статическими и динамическими параметрами. Для ЦАП, как и для других интегральных микросхем, используются общепринятые параметры: напряжения источников питания, токи потребления, входные и выходные напряжения и токи, тип и допустимые значения нагрузки, а также номинальные и минимальные значения параметров, абсолютные и относительные отклонения, температурные коэффициенты, нестабильность параметров.

Учитывая, что значения входного кода изменяются от минимального до максимального разряда, то каждому значению входного кода соответствует дискретное значение выходной аналоговой величины.

Дискретность изменения выходной аналоговой величины зависит от числа разрядов ЦАП. Работа ЦАП может быть описана математически, представлена в виде таблицы истинности или графика (характеристики преобразования).

Характеристика преобразования представляет собой зависимость значений выходной аналоговой величины от значений входного кода и представлена на рис. 13.1.

В системе координат код – выходная аналоговая величина характеристика преобразования может быть представлена линией, наклоненной к оси абсцисс под некоторым углом, или ступенчатой линией, что указывает на дискретность изменения как значения кода, так и выходной аналоговой величины. Она определяется начальными и конечными точками, которые задаются начальными и конечными значениями входного кода. Интервал значений аналоговой выходной величины от начальной до конечной точки называют диапазоном выходной величины. Амплитуда выходной величины определяется разностью между максимальным и минимальным значением аналоговой величины. Шаг квантования – это значение дискретного изменения выходной аналоговой величины при изменении значения входного кода на единицу (рис. 13.1).

Разрешающая способность преобразования (номинальное значение шага квантования) представляет собой наименьшее изменение выходной аналоговой величины, возникающее при изменении значения входного кода на единицу. Разрешающая способность, как и шаг квантования, выражается в единицах выходной аналоговой величины или в процентах от номинальной амплитуды изменения выходной аналоговой величины.

Точность преобразования характеризует суммарное отклонение выходного аналогового сигнала от своего идеального значения для данной кодовой комбинации. Точность определяется многими составляющими: нелинейностью, дифференциальной нелинейностью, смещением нуля (начальной точки характеристики преобразования).

Нелинейность (интегральная нелинейность) характеризуется максимальным отклонением реальной характеристики преобразования от идеальной.

Дифференциальная нелинейность – это отклонение действительного шага квантования от его среднего значения. Дифференциальная нелинейность характеризуется монотонностью характеристики преобразования. Монотонность – это неизменность знака приращения выходного аналогового сигнала при последовательном изменении значения входного кода. Если реальная характеристика преобразования сдвинута параллельно номинальной, то этот параллельный сдвиг характеристики оценивается напряжением смещения нуля выходной аналоговой величины. Напряжение смещения нуля – это смещение выходного сигнала ЦАП относительно нуля в начальной точке преобразования.

Погрешность коэффициента передачи определяется смещением выходного аналогового сигнала ЦАП относительно опорного напряжения в конечной точке преобразования. Напряжение смещения нуля и погрешность коэффициента передачи в интегральных микросхемах ЦАП устраняются с помощью внешних регулирующих устройств.

Таким образом, разрешающая способность характеризует потенциальные возможности ЦАП, а совокупность точностных параметров определяет реализуемость такой потенциальной возможности. В реальных ЦАП изменения температуры окружающей среды и напряжения источников питания сильно влияют на точность преобразования входного кода. Поэтому только в идеальных ЦАП разрешающая способность совпадает с точностью преобразования.

В реальных радиотехнических устройствах ЦАП работают при непрерывно изменяющихся значениях кодов на входах, а считывание информации с выхода ЦАП обычно производится после окончания всех переходных процессов в нем. В связи с этим ЦАП характеризуется динамическими параметрами, которые определяют производительность обработки информации. Наиболее важными из параметров ЦАП, характеризующих его быстродействие, являются: время установления выходного сигнала, время задержки распространения, время нарастания, скорость нарастания и время переключения. В большинстве случаев эти параметры определяются при скачкообразном изменении входного кода от минимального до максимального или наоборот (рис.13.2).

Время устано-вления выходного сигна- ла – это время с момента изменения кода на входах ЦАП до момента, когда значение выходной аналоговой величины отличается от установившегося с точностью не более половины амплитуды напряжения младшего разряда (0,5 АМР). Отсчет данного параметра ведется от момента достижения входным уровнем 0,5 амплитуды логического уровня до момента, когда кривая выходного сигнала в последний раз пересекают одну из границ зон, ограниченной ±0,5 АМР (рис 13.2). Для одного и того же ЦАП время установления будет различным в зависимости от того, что измеряется – установление тока или напряжения и при какой нагрузке.

Время задержки распространения tзад – время от достижения входным уровнем 0,5 амплитуды входного сигнала до момента достижения выходной аналоговой величиной половины установившегося значения (рис. 13.2). Часто используется также параметр время задержки, т.е. время с момента достижения 0,5 амплитуды входного сигнала до момента, когда выходная аналоговая величина достигает 0,1 установившегося значения.

Время нарастания tнар – время, за которое выходная аналоговая величина изменяется от 0,1 до 0,9 установившегося значения (рис. 13.2).

Скорость нарастания выходной аналоговой величины – максимальная скорость изменения выходного сигнала (0,9Uвых – 0,1Uвых)/tнар.

Время переключения – время от момента перехода входного цифрового слова к соседней кодовой комбинации до момента достижения выходной аналоговой величины 0,9 установившегося значения.

Часто при несовпадении во времени моментов переключения отдельных разрядов входного кода на выходе ЦАП появляются импульсные помехи (выбросы). Амплитуда выбросов может быть любой полярности в зависимости от опережения или запаздывания включения старшего разряда относительно выключения младших разрядов.

При эксплуатации ЦАП необходимо выполнение требований, обусловленных особенностями конкретной микросхемы. К этим требованиям относятся: использование допустимых входных сигналов, напряжения источников питания, емкости и сопротивления нагрузки. Кроме того необходимо выполнение очередности включения различных источников питания, разделение цепей подключения источников питания и общей шины в микросхеме, применение фильтров.

Устройство ЦАП

Цифро-аналоговые преобразователи подразделяются на электрические и механические. В электрических ЦАП выходными сигналами являются ток, напряжение, временной интервал, а в механических – линейное и угловое перемещения, скорость и т.д.

ЦАП нашли широкое применение в следующих устройствах:

– в системах цифровой связи, системах телеизмерений (модемы, кодеки, активные и цифровые фильтры, системы распределения аналоговых сигналов);

– в системах управления технологическими процессами (станки с ЧПУ, прецизионная электротермообработка, электронно-лучевая фотолитография и др.);

– в испытательной и измерительной технике (программируемые источники питания, цифровые измерительные приборы и др.).

Цифровая информация представляется соответствующим кодом. Наиболее распространен двоичный цифровой код. Значения разрядов в таком коде определяются присутствием или отсутствием электрического напряжения или напряжениями высокого или низкого уровней. Цифровой код может быть последовательным, когда уровни напряжения, соответствующие отдельным разрядам кода, поступают в различные моменты времени и могут быть переданы по одной линии. При параллельном кодировании все уровни напряжения, соответствующие разрядам кода, поступают одновременно и передаются по отдельным линиям. Цифровой код представляется в виде последовательности единиц и нулей, например 1101. В данном коде записано 4 цифры, которые называют разрядами. Крайний левый разряд называют старшим разрядом (СР), крайний правый – младшим разрядом (МР). Числовой эквивалент может быть определен, если известна система кодирования или тип кода. В цифро-аналоговых преобразователях наибольшее распространение получили двоичные и двоично-десятичные коды с весами разрядов 8–4–2–1 или 2–4–2–1. Коды бывают прямыми и обратными. Обратные коды получаются инвертированием всех разрядов прямого кода.

Максимальное число разрядов, которые могут быть поданы на вход ЦАП и преобразованы в выходную величину, определяется конкретной интегральной схемой. Число разрядов – это двоичный логарифм максимального числа кодовых комбинаций на входе ЦАП. Число разрядов является наиболее общей характеристикой, определяющей номинальные функциональные возможности интегральных микросхем.

По способу формирования выходного напряжения в зависимости от цифрового входного кода все ЦАП можно разделить на три группы: с суммированием токов, с суммированием напряжений, с делением напряжений. При реализации ЦАП в виде БИС наибольшее распространение получила схема с суммированием токов. ЦАП с суммированием и делением напряжений менее технологичны, но до сих пор реализуются в аппаратуре на цифровых и аналоговых микросхемах.

Цифро-аналоговые преобразователи, использующие для формирования выходного напряжения суммирование токов, делятся на два типа: с использованием взвешенных резисторов и многозвенной цепочки резисторов R‑2R.

Принцип действия ЦАП основывается на том, что любое двоичное число Хn-1, Хn-2, …, Х2, X1, Х можно представить в виде суммы степеней числа 2

Поэтому для преобразования двоичных чисел в аналоговую величину (напряжение, ток и т.д.) необходимо каждой единице числа поставить в соответствие аналоговую величину со своим весом, соответствующим разряду данной цифры, а затем произвести суммирование этих величин. Схема четырехразрядного цифро-аналогового преобразователя на основе двоично-взвешенных резисторов представлена на рис. 13.3.

Она состоит из матрицы двоично-взвешенных резисторов, переключателей на каждый разряд, которые управляются цифровыми сигналами, входного (опорного) напряжения и суммирующего усилителя, собранного на базе ОУ в инверсном включении. Сопротивления резисторов, соответствующих разрядам входного слова, отличаются в 2 раза при переходе к соседнему биту. На цифровые входы ЦАП подается двоичный N-разрядный сигнал. Каждый i-й цифровой сигнал управляет i-ым переключателем, обеспечивая подключение любого резистора с сопротивлением R2 i либо к общей шине, либо к источнику входного напряжения. Для простоты рассмотрения принимается, что сопротивление переключателей и внутреннее сопротивление источника входного сигнала равно нулю.

Если все переключатели замкнуты на общий провод, то входное напряжение в точке суммирования (точка О) равно нулю, и выходное напряжение также равно нулю, что соответствует строке 1 в табл. 13.1.

Таблица 13.1

Таблица истинности

Название: Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
Раздел: Рефераты по коммуникации и связи
Тип: реферат Добавлен 21:35:17 16 мая 2009 Похожие работы
Просмотров: 6080 Комментариев: 14 Оценило: 6 человек Средний балл: 4.5 Оценка: 5 Скачать
Аналоговый вход, В Двоичный код
Входы
D C B A
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
2,6
2,8
3,0

Предположим, что все переключатели B, C, D закорочены на общую шину, и в их цепях ток равен нулю, а входной код подается через переключатель А младшего разряда, и в этой цепи протекает ток Ia = Uвх/2 3 R. Таким образом, резистивная схема формирует двоично-взвешенные токи, которые алгебраически суммируются с выходным током, поступающим на вход OУ через цепь ОС. Напряжение на выходе суммирующего усилителя будет пропорционально весовому значению поступающего на ЦАП двоичного кода цифрового сигнала. Если через все переключатели А, В, С, D подается входной сигнал (переключатели находятся в положении 1), то входной ток резисторный матрицы будет максимальным, а также максимальным по абсолютной величине будет и напряжение Uвых.

В качестве опорного напряжения можно использовать любое напряжение, не превышающее напряжения питания операционных усилителей. Увеличение числа двоичных разрядов требует добавления переключателя с резистором R/2, что в свою очередь требует изменения резистора в цепи ОС OУ Rос » R/4.

В реальных ЦАП переключатели имеют конечное сопротивление, которое включается последовательно с двоично-взвешенными резисторами и влияет на точность преобразования сигнала особенно в старших разрядах ЦAП, имеющих меньшие сопротивления резисторов. В качестве переключателей могут использоваться ключи на биполярных и полевых транзисторах. Рассмотренная схема ЦАП имеет следующие недостатки:

– используются резисторы с широким диапазоном сопротивлений, что затрудняет согласование температурных коэффициентов сопротивлений весовых резисторов независимо от способа их изготовления;

– невысокая точность преобразования сигнала.

Эти недостатки можно преодолеть в преобразователях «лестничного» типа (рис. 13.4), где используется резисторная матрица типа R-2R. Преимущество такой резисторной матрицы в том, что используются резисторы только двух номиналов. Это позволяет исключить требование к абсолютной точности сопротивлений резисторов. Наибольшее влияние в этих преобразователях оказывает относительный разброс сопротивлений. Резисторная матрица является линейной цепью, все вклады от цепи каждого разряда суммируются для определения результирующего выходного напряжения.

Работа схемы основана на том, что любая часть цепочной или ступенчатой R-2R схемы всегда имеет выходное сопротивление, равное R. Так к узлу 1 подключены параллельно два резистора, каждый с сопротивлением 2R, а значит, выходное сопротивление равно R. К узлу 2 параллельно подключены резистор 2R и цепь, состоящая из последовательного соединения резистора R и выходного сопротивление узла 1 (также R). В результате полное сопротивление в узле 2 равно (R+R)||2R=R. Это правило справедливо для всей резистивной схемы. Опорное напряжение, подключенное ключом D (старшего разряда), создает ток равный Uоп/2R.

При подключении опорного напряжения в следующем разряде, когда в остальных разрядах нуль, напряжение в N–1 узле будет равно Uоп/4, а ток на входе OУ будет равен Uвх/4R. В общем случае полный ток на входе OУ будет равен:

где А – преобразуемое двоичное число с максимальным значением равным Амакс=2 N –1, тогда

Источниками погрешностей в преобразователе лестничного типа являются не только резистивная матрица, но и сопротивления переключателей в замкнутом состоянии. Для уменьшения этого сопротивления используют матрицу с большими сопротивлениями резисторов R-2R. Однако, из-за увеличения паразитной емкости резисторов 2R возрастает время преобразования ЦАП, и увеличивается влияние токов утечки через переключатели в разомкнутом состоянии. Чтобы преодолеть указанные недостатки, в современных БИС ЦАП применяют инверсное включение резисторной матрицы. Это обеспечивает постоянное протекание токов через сопротивления матрицы, переключатели лишь коммутируют эти токи между общей шиной и входом ОУ. B этом случае быстродействие ЦАП преимущественно определяется OУ, а не паразитными емкостями матрицы сопротивлении. При использовании идеального OУ время преобразования ЦАП будет определятся только временем изменения состояния переключателей.

В настоящее время промышленностью выпускается большая номенклатура микросхем ЦАП серий К572ПА, К594ПА, К1108ПА, К1118ПА, и каждая из микросхем имеет частотные особенности применения. Быстродействие схем серии К1108ПА1 составляет порядка 200 нс, хотя самым высоким быстродействием порядка 10 нс обладают ЦАП серии К1118. Они предназначены для работы со схемами ЭСЛ логики.

Неиспользованные разрядные входы ЦАП могут оставаться незадействованными, что соответствует подаче на эти входы напряжения логической единицы. При необходимости подачи на незадействованные входы напряжения логического нуля, эти входы подключаются к источнику питания через резисторы сопротивлением порядка 45 кОм.

Глава 14

Дата добавления: 2020-10-06 ; просмотров: 869 | Нарушение авторских прав

Это интересно!

OLED-технология — перспективное решение для систем освещения?

Технология OLED (Organic Light-Emitting Diode — органический светодиод, ОСД) — следующий шаг на пути эволюции твердотельного освещения (Solid State Lighting, SSL), источником которого служат полупроводники, а не нить накала или газ. Твердотельные источники света являются наиболее энергоэффективными, имеют более длительный срок службы и более экологичны. В статье, представляющей собой авторизованный перевод [1, 2], рассматриваются характеристики ОСД и возможности их применения.

Альтернативный источник питания для Hi-Fi-систем

Можно ли просто соединить последовательно два импульсных ИП, чтобы получить симметричный ИП для УМ? В чем «подводные камни» и как повысить качество ИП? На все эти вопросы отвечают инженеры Elektor.

Цифровой USB-термометр BM1707 с мониторингом температуры через интернет

Цифровой термометр ВМ1707 осуществляет измерение температуры и термостатирование с возможностью передачи данных через интернет. Приведены описание и общий вид устройства, электрическая схема и рекомендуемое расположение элементов на печатной плате.

Ссылки

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

10 сентября

ЦАП. Так ли все просто?

В статье рассмотрены принцип работы и основные параметры цифро-аналоговых преобразователей. Даны рекомендации по выбору и проектированию ЦАП.

Цифро-аналоговый преобразователь — устройство для перевода цифровых данных в аналоговый сигнал. Это своеобразный мост между аналоговой и цифровой частями схемы. Сфера применения ЦАП очень широка. Это — усилители звука, аудиокодеки, обработка видео, устройства отображения, системы распознавания данных, калибровка датчиков и других измерительных устройств, схемы управления двигателями, системы распределения данных, цифровые потенциометры, программируемое радио (SDR) и т.д.

Принцип работы

Принцип работы ЦАП заключается в суммировании аналоговых сигналов (ток или напряжение). Суммирование производится с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. Выходной сигнал ЦАП может иметь форму тока, напряжения или заряда. Преобразователи с токовым выходом используются в основном в прецизионных и высокочастотных схемах. Для определенности мы будем рассматривать ЦАП с выходным напряжением, как наиболее распространенные. Из таблицы 1 видно, что максимальное выходное напряжение на 1 МЗР (младший значащий разряд входного кода) ниже напряжения полной шкалы (ПШ). Некоторые ЦАП позволяют использовать всю шкалу.

Табл. 1. Сигналы четырехразрядного ЦАП (опорное напряжение 5 В)

Выходное
напряжение, В

Характеристики ЦАП

Наиболее важные характеристики ЦАП — это разрядность, шаг квантования (разрешающая способность) и точность преобразования.

Передаточная характеристика (ПХ) — зависимость выходного сигнала ЦАП от входных данных.

Разрядность (N) — количество бит во входном коде.

Разрешение — это выходное напряжение, соответствующее 1 МЗР. Оно зависит от количества разрядов и определяет точность преобразования сигнала.

Частота дискретизации (частота Найквиста) — максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Котельникова, для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала.

Полная шкала — диапазон значений выходного сигнала.

Монотонность — участок на ПХ, где наклон постоянен. На этом участке ЦАП линеен.

Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода до окончательного вхождения выходного сигнала в заданный диапазон отклонения.

Выходной выброс — это переходный процесс, возникающий во время смены входных данных. Величина выброса зависит от количества переключаемых разрядов.

Погрешность смещения нуля — разность между фактическим и идеальным выходным сигналом, когда на входе ноль.

Погрешность ПШ — разница между фактическим выходным напряжением и напряжением ПШ.

Погрешность усиления — отклонение наклона ПХ от идеального.

Дифференциальная нелинейность — разность приращений выходных сигналов, соответствующих смежным соседним кодам.

Интегральная нелинейность — максимальное отклонение реальной ПХ от прямой линии.

Классификация

Цифро-аналоговые преобразователи делятся по типу входных данных на последовательные и параллельные. По разрядности выделяют ЦАП с повышенной точностью (большая разрядность, N≥14) или с высоким быстродействием (6—8 разрядов). Выходной сигнал может иметь форму напряжения, тока или заряда.

Рассмотрим некоторые структуры ЦАП. Простейшим ЦАП является взвешивающий (делитель Кельвина), структура которого показана на рисунке 1. Каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (или проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. N-разрядный ЦАП содержит 2N одинаковых последовательно соединенных резистора и 2N ключа (обычно КМОП), по одному между каждым узлом цепи и выходом.

Рис. 1. Структура взвешивающего ЦАП

Взвешивающий метод — один из самых быстрых, однако характеризуется наименьшей точностью. Обычно такой ЦАП имеет выход по напряжению и отличается хорошей монотонностью. Если все резисторы одинаковы, ЦАП линеен. Недостаток данной модели — относительно высокий выходной импеданс и большое количество резисторов и ключей.

ЦАП на матрице R–2R . Это одна из наиболее распространенных структур (см. рис. 2). Здесь используются только две величины сопротивлений, находящихся в отношении 2:1. Количество резисторов равно 2N. Резистивный делитель можно использовать в качестве ЦАП двумя способами, в режиме напряжения и режиме тока (они также известны как нормальный и инверсный режимы). Главное преимущество ЦАП с выходом по напряжению заключается в том, что выходной импеданс постоянен. Второе достоинство — отсутствие емкостных токов в нагрузке. Недостатки данной структуры: во-первых, опорный источник должен иметь очень низкий импеданс; во-вторых, для регулирования усиления нельзя использовать резистор, включенный последовательно с опорным источником. В токовом режиме это допустимо, однако выбросы в токовой схеме больше. С другой стороны, ключи находятся под потенциалом земли, поэтому защита от большого перепада напряжений не требуется.

Рис. 2. ЦАП на R–2R матрице с выходом в форме напряжения

В сигма-дельта ЦАП (см. рис. 3) преобразование осуществляется с помощью сигма-дельта модуляции, когда квантование осуществляется всего одним разрядом, но с частотой, в десятки и сотни раз превышающей частоту Найквиста. Как видно из рисунка 4, сигма-дельта модулятор преобразует входной сигнал в последовательный непрерывный поток нулей и единиц. Если входной сигнал близок к положительному краю полной шкалы, в битовом потоке на выходе больше единиц, чем нулей, и наоборот, если сигнал ближе к отрицательному краю, то больше нулей. Для сигнала, близкого к середине шкалы, количество нулей и единиц примерно одинаково.

Рис. 3. Общая структура сигма-дельта ЦАП
Рис. 4. Принцип работы сигма-дельта модулятора

Интерполяционный фильтр представляет собой цифровую схему, которая принимает данные, поступающие с низкой частотой дискретизации, вставляет нули в поток данных, увеличивая тем самым частоту дискретизации, затем применяет алгоритм интерполяции и выдает данные с высокой частотой дискретизации. Выходное напряжение одноразрядного ЦАП переключается между равными по значению положительным и отрицательным опорными напряжениями. Выход фильтруется аналоговым ФНЧ.

Перемножающий ЦАП работает с различными опорными сигналами, в т.ч. переменного тока. Выходной сигнал пропорционален произведению опорного напряжения на дробный эквивалент цифрового входного числа.

Сегментированные (гибридные) преобразователи . При проектировании конкретного ЦАП может оказаться так, что ни одна из базовых структур не подходит, и придется комбинировать различные структуры для получения ЦАП с высоким разрешением и требуемыми характеристиками.

Подбор ЦАП

Для выбора подходящего ЦАП необходимо определить требования, которым должны соответствовать его параметры. В первую очередь это — разрядность, разрешение, время установления выходного сигнала (быстродействие), интерфейс подключения, напряжение питания и т.д. Обычно при проектировании устройства сначала выбирается его главный элемент — вычислительное ядро (процессор, ПЛИС, МК и т.д.), который определяет интерфейс обмена с остальными элементами схемы. В таблице 2 приведены четыре наиболее распространенных интерфейса для ЦАП.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) (стр. 1 из 3)

Министерство образования и науки Украины

Одесская национальная морская академия

Кафедра морской электроники

по дисциплине «Системы сбора и обработки телеметрической информации»

Проверил: ст. преподаватель

2. Общие сведения

3. Последовательные ЦАП

4. Параллельные ЦАП

5. Применение ЦАП

6. Параметры ЦАП

7. Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).

Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

o По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.

o По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.

o По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

o По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рис. 1. Классификация ЦАП

ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис. 1а.

Рис. 1. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S . В зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых g =t и /Т определяется соотношением

где N — разрядность преобразования, а D — преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя

Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток — низкое быстродействие.

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Рассмотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для получения N -разрядного преобразования необходимы 2 N временных квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

В этой схеме емкости конденсаторов С 1 и С 2 равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С 2 разряжается ключом S 4 . Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда d . Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С 1 заряжается до опорного напряжения U оп при d =1 посредством замыкания ключа S 1 или разряжается до нуля при d =0 путем замыкания ключа S 2 . Во втором полутакте при разомкнутых ключах S 1 , S 2 и S 4 замыкается ключ S 3 , что вызывает деление заряда пополам между С 1 и С 2 . В результате получаем

Пока на конденсаторе С 2 сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С 1 должна быть повторена для следующего разряда d 1 входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет

Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В результате для N -разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно

Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2 3 =8, у третьего разряда — 2 2 =4, у второго — 2 1 =2 и у младшего (МЗР) — 2 0 =1. Если вес МЗР IМЗР =1 мА, то IСЗР =8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя Iвых.макс =15 мА и соответствует коду 11112 . Понятно, что коду 10012 , например, будет соответствовать Iвых =9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде — 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для преобразования информации из цифровой формы в аналоговый сигнал. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 4.2.1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, интегральные микросхемы (ИМС) цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

o По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.

o По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.

o По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

o По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рис. 4.2.1. Классификация ЦАП

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. ЦАП преобразует цифровой двоичный код Q10Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1 в аналоговую величину, обычно напряжение Uвых.. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

Uвых=e*(Q1 1+Q2*2+Q3*4+Q4*8+…+ Q10*1024) (4.2.1)

где e — напряжение, соответствующее весу младшего разряда, Qi — значение i -го разряда двоичного кода (0 или 1).

Например, числу 1001 соответствует

Uвых=у*(1*1+0*2+0*4+1*8)=9*e, а числу 1100

Рис. 4.2.2. Схема цифро-аналогового преобразователя

Упрощенная схема реализации ЦАП представлена на рис 4.2.2. В схеме i — й ключ замкнут при Qi=1, при Qi=0 — разомкнут. Регистры подобраны таким образом, что R>>Rн. Эквивалентное сопротивление обведенного пунктиром двухполюсника Rэк и сопротивление нагрузки Rн образуют делитель напряжения, тогда

Uвых = E Rн / Rэк + Rн » E*Rн / Rэк (4.2.2)

Проводимость двухполюсника 1 / Rэк равна сумме проводимостей ветвей (при Qi=1 i — ветвь включена, при Qi=0 — отключена):

1 / Rэк = Q1 / 8R + Q2 / 4R + Q3 / 2R + Q4 / R (4.2.3)

Подставив (4.2.3) в (4.2.2), получаем выражение, идентичное (4.2.1)

Uвых = (8Е Rн / R)*( Q1*1 + Q2*2 + Q3*4 + Q4*8 )

Очевидно, что е = 8Е Rн / R. Выбором е можно установить требуемый масштаб аналоговой величины.

Иными словами ЦАП преобразует числа, определенного в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. В десятиразрядном ЦАП имеется набор источников фиксированных напряжений, соответствующих каждому из 10 разрядов, и устройство для синхронного подключения (или отключения) этих напряжений к сумматору в зависимости от поступающих символов. Напряжение на выходе ЦАП максимальное, когда со всех элементов поступают единицы. Для десятиразрядного кода число дискретных уровней равно:

Максимальный размах цифровых яркостного и цветоразностных сигналов составляет 800 мВ.

Тогда цены разрядов начиная с самого младшего равны

800/1024 мВ, 800/512 мВ, 800/256 мВ, … , 800/2 мВ.

При кодовом слове, поступающем на вход ЦАП в виде 0,111111111111, напряжение на выходе будет максимально и равно

800/2 + 800/4 + 800/8 +…+ 800/512 + 800/1024 = 700 мВ,

а при слове 0,00000000001 напряжение будет минимально и равно

800/1024 = 0,78 мВ.

Рассмотрим статические 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. 22), 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.

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 h=Uпш/(2N-1), 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.

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

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

Нелинейность — максимальное отклонение реальной характеристики преобразования Uвых(D) от оптимальной (линия 2 на рис. 22). 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 рис. 22

Дифференциальная погрешность — 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 рис. 22,

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 ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины «все нули» до «все единицы» (рис. 23).

Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 23 t=0) до момента, когда в последний раз выполняется равенство

причем d/2 обычно соответствует ЕМР.

Скорость нарастания — максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения ?Uвых ко времени ?t, 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.

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).

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 (572ПА1, 594ПА1, 1108ПА1, AD565А и др.), 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.

Для данного устройства выберем микросхему К572ПА1А. /13/ Микросхема К572ПА1А является набором универсальных функциональных элементов для построения 10-разрядных умножающих ЦАП последовательных приближений, управляемых делителей токов и напряжений, а также других сложнофункциональных схем. Зарубежным аналогом этой микросхемы является AD7520. Микросхема К572ПА1А осуществляет преобразование входного двоичного параллельного цифрового кода в выходной ток, пропорциональный значению кода и (или) опорного напряжения. Обладает возможностью реализации полного двух- и четырехквадратного умножения сигналов, малой потребляемой мощностью. Выполнена на комплементарных МОП-транзисторах с поликремневыми затворами и поликремневых прецизионных резисторах, не требующих лазерной подгонки, и содержит 144 интегральных элемента. Конструктивно оформлена в металлокерамическом корпусе типа 201.16-8 или 201.16-17. Масса микросхемы не более 2г.

Для функционирования микросхемы необходимы также внешние микросхемы источника опорного напряжения (ИОН) и операционного усилителя (ОУ).

Назначение выводов: 1 — аналоговый выход 1; 2 — аналоговый выход2; 3 — общий вывод; 4 — цифровой вход 1 (старший); 5 — цифровой вход 2; 6 — цифровой вход 3; 7 — цифровой вход 4; 8 — цифровой вход 5; 9 — цифровой вход 6; 10 — цифровой вход 7; 11 — цифровой вход 8; 12 — цифровой вход 9; 13 — цифровой вход 10 (младший); 14 — напряжение источника питания (Uп); 15 — опорное напряжение (Uоп); 16 — вывод резистора обратной связи.

Номинальное напряжение питания (вывод 14)………..…………. 15 В

Номинальное опорное напряжение (вывод 15)………………….. 10,24 В

Ток потребления по выводу 14 при Uп=15В, Uоп=10,24 В, Uвх1 = 3,6…15 В, Т = -10…+70 С, не более ………………………………….… 2 мА

Дифференциальная нелинейность (в % от полной шкалы) при Uп = 15 В, Uоп = 10,24 В,

Uвх1 = 3,6…15 В, Uвх0 = 0…0,8 В, Т = -10…+70 0С…….. -0,1…0,1 %

Нелинейность (в % от полной шкалы) при Uп=15В, Uоп=10,24 В, Uвх1 = 3,6…15 В,

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке (при тех же условиях) ……………………………..…………………………… -3…5%

Выходной ток смещения нуля …………………………………… 100 нА

Время установления выходного тока, не менее ……. …………… 5 мкс

Число разрядов, не менее ……………………………….…………….. 10

Входной ток по цифровым входам …………….………………. 1 мкА

Выходной ток при Uоп = 22,5 В ………………………….……… 4,5 мкА

Рассеиваемая мощность при Uоп = 10 В ……………..………….. 20 мВт

Температурный коэффициент дифференциальной нелинейности 3,5*10-61/ 0С

Температурный коэффициент абсолютной погрешности преобразования в конечной точке шкалы ………………. …….15*10-51/ 0С

Предельные эксплуатационные данные

Напряжение питания ……………………………………. 13,5…16,8 В

Опорное напряжение …………….………………………. -22,5…22,5 В

Входное напряжение низкого уровня …………..…………….. 0…0,8 В

Входное напряжение высокого уровня ………….………… 3,6 В … Uп

5.2. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналого-цифровой преобразователь– это устройстве, в котором осуществляются дискретизация и квантование и которое преобразует входной аналоговый сигнал в цифровой сигнал. Цифровой сигнал на выходе АЦП представлен, как правило, сигналами на шине данных.

На практике используется большое число различных типов AЦП, выполненных по разным схемам. Рассмотрим электрическая схему параллельного АЦП, часто используемого на практике (рис. 5.8).

С помощью одинаковых резисторов R1, R2RN создаются уровни квантования с шагом квантования, равным падению напряжения на одном резисторе. Шаг и уровни квантования зависят от значения опорного стабилизированного напряжения Е.

Основная часть схемы АЦП – операционные усилители с резисторами и диодами. Эти усилители работают в качестве компараторов – устройств сравнения уровней двух сигналов.

Если напряжение входного сигнала на неинвертирующем входе превышает опорное напряжение на инвертирующем входе, то на выходе ОУ возникает большое поло

жительное напряжение, которое с помощью добавочно­го резистора и стабилитрона преобразуется в логическую единицу.

Если входной сигнал s(t) меньше опорного напряжения на инвертирующем входе, то на выходе операционного усилителя возникает от­рицательное напряжение, которое с помощью открывающихся диодов Dl, D2, …, DN уменьшается практически до нуля и, тем самым, преоб­разуется в логический нуль.

Если входное напряжение s(t) равно ну­лю, то на выходах компараторов формируются логические нули. При плавном увеличении уровня входного сигнала компараторы будут последовательно, начиная с нижнего (см. рис. 5.8), срабатывать, выдавая на выходах логические единицы.

Шифратор CD осуществляет преобразование кода, поступающего с компараторов, в двоичный код шины данных Д. На шифратор АЦП поступает синхросигнал, и изменения на шине данных происходят только при появлении синхроимпульса. Частота синхросигнала в этом случае будет задавать частоту дискретизации.

При быстрых изменениях входного сигнала и при наличии вре­менных задержек в операционных усилителях и других элементах схемы могут возникать сбои в работе АЦП, обусловленные появлени­ем синхросигнала в момент изменения уровней на входах шифратора. На выходе АЦП в этом случае появляется неправильный код. Для уст­ранения этого явления на входе АЦП включают дополнительное уст­ройство выборки-хранения (рис. 5.9).

Устройство (рис. 5.9) включает электронный ключ на полевом транзисторе и накопительный конден­сатор СХР. При подаче короткого положительного импульса на затвор транзистора он открывается (ключ замкнут), и напряжение на конден­саторе становится равным входному (режим выборки). После оконча­ния действия импульса полевой транзистор закрывается, и напряжение на конденсаторе сохраняется неизменным (режим хранения). В этот отрезок времени напряжение y(t) поступает на схемы сравнения и после преобразования в виде логических уровней – на вход шифратора АЦП. Синхросигнал на шифратор подается после того, как на входах шифратора устанавливается соответствующая комбинация логических уровней.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – это устройство, преобразующее последовательность входных кодов в соответствующий непрерывный выходной сигнал.

Большинство ЦАП строятся с использованием цепочки R-2R. Электрическая схема цепочки приведена на рис. 5.10.

На входе цепочки подключается источник опорного напряжения. Несложный анализ схемы показывает, что напряжения в узлах цепочки a, b, m отличаются друг от друга в два раза. Например, напряжение в точке а равно Е /2, так как сопротивление всех элементов цепочки, включенных между этим узлом и корпусом, равно R. Учитывая, что сопротивление между узлом а и клеммой опорного источника тоже равно R, получим резистивный делитель напряжения два раза. Аналогично доказывается, что напряжение в точке b равно Е /4 и т.д. Чем дальше от источника расположены узлы в цепочке, тем меньше напряжение на них.

Сигнал на выходе трехразрядного ЦАП имеет вид (рис. 5.11). На вход ЦАП последовательно подаются следующие коды: 000,001,011, 010, 101, 001, 000. Выходное напряжение ЦАП имеет ступенчатый вид. Для уменьшения ступенек на выходе ЦАП обычно устанавлива­ют фильтр низких частот.

Для высокоточной цифровой обработки сигналов в измерительной технике используются АЦП с большим числом уровней квантования. Такие АЦП трудно изготовить, используя параллельную схему, так как потребуется очень большое число компараторов. Например, для десятиразрядного АЦП потребуется более 1000 компараторов. В этом случае используются АЦП, выполненные по схеме поразрядного урав­новешивания (рис. 5.12). Входной сигнал в этой схеме подается на неин­вертирующий вход компаратора К. На другой вход компаратора, для сравнения, подается опорный сигнал с ЦАП.

Блок управления БУ вырабатывает двоичный выходной код у, y1, …,уР-1, поступающий на вход ЦАП. Суть поразрядного уравновешивания заключается в следующем.

В начале цикла преобразования блок управления вырабатывает на выходе единицу только в старшем разряде. Этот код поступает на ЦАП, и на выходе ЦАП возникает напряжение, равное примерно половине максимально-допустимого входного напряжения. Если входное напряжение больше этого одного напряжения, то компаратор вырабатывает импульс, который поступает в блок управления БУ, и единица в старшем разряде фиксируется. Если входное напряжение меньше опорного, то единица в старшем разряде сбрасывается.

На втором этапе преобразования единица устанавливается в следующем разряде уР-2, и проводится сравнение входного напряжения с новым опорным напряжением, в результате которого фиксируется или сбрасывается единица в разряде уР-2.

Процесс сравнения продолжается до тех пор, пока не установятся все р разрядов на выходе блока управления. Очевидно, что АЦП с поразрядным уравновешиванием при прочих равных условиях работает примерно в р медленнее по сравнению с параллельным АЦП.

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи устанавливаются на входе и выходе устройства цифровой обработки сигналов. Центральное место в таких устройствах занимает ЭВМ и алгоритмы ее работы.

Тема 13. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Динамические характеристики ЦАП

Очевидно, что для цифро-аналогового преобразователя наиболее важными являются такие характеристики сигнала, как время установки (settling time), всплеск сигнала вследствие перерегулирования при изменении сигнала на выходе ЦАП, называемый далее ложным сигналом (выбросом, glitch), искажения и свободный от помех динамический диапазон сигнала (SFDR).

Время установки ЦАП – это время от начала изменения цифрового кода до момента, когда сигнал стабилизируется в пределах некоторого диапазона ошибки, как это показано на рис. 13.1. Сравнивать времена установки усилителей трудно, так как их диапазоны ошибки могут отличиться от усилителя к усилителю, но диапазон ошибки ЦАП практически не меняется и равен ±1 или ±½ LSB.

Время установки ЦАП состоит из четырех различных периодов: время переключения (в течение которого цифровое переключение осуществлено, но на выходе нет изменений), время перехода (в течение которого скорость изменения выходного сигнала ограничена скоростью нарастания на выходе ЦАП), время восстановления (когда ЦАП восстанавливает значение после быстрого перехода и может быть выброс на фронте) и линейное время установки (когда значение на выходе ЦАП приближается к его конечной величине экспоненциально или почти экспоненциально). Если переходное время мало по сравнению с тремя другими (как это обычно бывает в случае с токовыми выходами ЦАП), то время установки не будет существенно зависеть от перепада уровня выходного сигнала. С другой стороны, если переходное время занимает существенную часть общего времени, то время установки будет тем больше, чем больше величина перепада.

Рисунок 13.1 – Время установления ЦАП

В идеале изменения на выходе ЦАП от одной величины до другой должны проходить монотонно. На практике возможно появление выброса фронта (overshoot), отрицательного выброса перед фронтом (undershoot) или то и другое одновременно (рис. 13.2). Это неконтролируемое состояние выхода ЦАП в течение перехода известно как ложный сигнал. Он может являться результатом двух явлений: емкостной связи цифровых переходов с аналоговым выходом и свойствами некоторых ключей в ЦАП, работающих более быстро, чем другие, и создающих временные выбросы по уровню.

Рисунок 13.2 – Переходная характеристика ЦАП (с паразитными выбросами)

Емкостная связь часто дает примерно равные положительные и отрицательные выбросы (иногда называемые дуплетом ложного сигнала), которые далее в большей или меньшей степени удается компенсировать. Ложный сигнал, появляющийся вследствие несинхронности переключения, в общем случае униполярен, имеет большую амплитуду и представляет собой гораздо большую проблему.

Для оценки ложных сигналов измеряют площадь, огибаемую фронтом такого сигнала.

Пиковая площадь под кривой ложного сигнала – это площадь под максимальным положительным или отрицательным импульсом ложного сигнала. Площадь импульса ложного сигнала – это область под вольт-секундной кривой, которая может быть рассчитана после аппроксимации формы сигнала треугольниками и вычисления их площади посредством вычитания отрицательной площади из положительной. Величина ложного сигнала, порождаемого переходом между кодами 0111. 111 и 1000. 000, обычно является самой большой. Ложные сигналы в других точках перехода кода (таких как 1/4 и3/4 полной шкалы) обычно имеют меньшую величину. На рис. 13.3 отмечен ложный сигнал быстрого ЦАП с малым значением такого сигнала в середине его динамического диапазона. Пиковые и импульсные площади ложного сигнала рассчитываются с использованием треугольников, как это было описано выше. Время установки измеряется с момента, когда сигнал покидает начальный диапазон ошибки в 1 LSB, и до момента, когда он входит и остается в пределах конечного диапазона ошибки в 1 LSB. Размер шага между областями перехода также равен 1 LSB.

Рисунок 13.3 – Выбросы сигнала ЦАП

Время установки ЦАП важно в таких приложениях, как блок развертки RGB-сигнала в мониторах, а характеристики в частотной области типа SFDR в общем случае более важны в телекоммуникациях.

Если мы рассмотрим спектр сигнала, преобразованного в ЦАП из цифровой формы, то обнаружим, что, в дополнение к ожидаемому спектру (который будет содержать одну или больше частот, в зависимости от природы восстановленного сигнала), в нем также будет присутствовать шум и составляющие искажений. Искажения могут быть определены в терминах нелинейных искажений, динамического диапазона, свободного от помех (SFDR), интермодуляционных искажений или всех вышеперечисленных вместе. Под нелинейными искажениями понимается отношение высших гармоник к гармонике основной частоты, на которой восстановлен чистый (теоретически) синусоидальный сигнал. Эти искажения являются наиболее общей характеристикой искажений.

Динамический диапазон, свободный от помех (SFDR) – это отношение энергии наибольшей из гармоник (обычно – это гармоника основной частоты, но не обязательно) к энергии основной частоты.

При восстановлении с помощью ЦАП синусоидального сигнала, сгенерированного в системе прямого цифрового синтеза (DDS), зависимые от кода ложные сигналы формируют гармоники как внутри полосы, так и за ее пределами. Сигнал проходит через уровень, соответствующий середине шкалы, дважды за один цикл. Поэтому ложный сигнал имеет вторую синусоидальную гармонику, как показано на рис. 13.4. Обратите внимание, что гармоники более высокого порядка, составляющие которых попадают в основную полосу Найквиста (от 0до fs/2), не фильтруются.

Рисунок 13.4 – Проявление код-зависимых выбросов сигнала в спектре выходного сигнала

Руководствуясь одной лишь характеристикой площади под кривой ложного сигнала, трудно предсказать нелинейное искажение или SFDR. Другие факторы, такие как полная линейность ЦАП, также способствуют возникновению искажений. Поэтому, общепринята проверка восстановительной способности ЦАП в частотной области (с использованием анализатора спектра) на различных тактовых и сигнальных частотах.

Спад частотной характеристики ЦАП sin (x)/x

Выходной сигнал ЦАП может быть представлен в виде ряда прямоугольных импульсов шириной, равной обратной величине тактовой частоты, как показано на рис. 13.5.

Обратите внимание, что восстановленная амплитуда сигнала составляет -3,92 дБ на частоте Найквиста fс/2. Для компенсации этого эффекта в большинстве случаев достаточно использовать инверсный фильтр sin(x)/x. Значения составляющих основной частоты также ослабляются функцией sin(x)/x.

Рисунок 13.5 – Спектр выходного сигнала ЦАП с огибающей вида sin x/x

Большинство обычно используемых структур ЦАП (отличных от простого одноразрядного ЦАП, основанного на одном коммутаторе с использованием опорного напряжения) являются двоичными взвешивающими ЦАП или многозвенными схемами лестничного типа. Одна из простейших структур – делитель Кельвина, представленный на рис. 13.6. N-разрядная версия этого ЦАП просто содержит 2N равных по величине последовательно соединенных резисторов. Выходной сигнал снимается с соответствующего отвода замыканием одного из 2N коммутаторов после декодирования N-разрядных данных. Современные ЦАП, использующие эту архитектуру, называются строковыми ЦАП.

Эта архитектура проста, имеет выход с изменяющимся значением напряжения ZOUT, и изначально обеспечивает монотонный сигнал (даже если сопротивление одного из резисторов равно 0, OUTPUTN не может превышать OUTPUTN+1). Архитектура линейна, если все резисторы равны по значению, но может быть преднамеренно сделана нелинейной, если требуется нелинейный ЦАП. Так как в момент переключения работают только два коммутатора, эта архитектура обладает малым ложным сигналом (low-glitch).

Ее главным недостатком является большое количество резисторов, требуемых для обеспечения высокой разрешающей способности, поэтому в качестве отдельного устройства она обычно не используется, но, как мы увидим позже, применяется в роли компонента более сложных структур ЦАП.

Рисунок 13.6 – Делитель кельвина – простейший ЦАП с выходом напряжения

Существует аналогичный ЦАП с токовым выходом, который также состоит из 2N резисторов, или источников тока, но подключенных теперь параллельно между входом опорного напряжения и виртуальным заземленным выходом (рис. 13.7).

В данном ЦАП, как только какой-либо резистор подключается к цепи, любые дальнейшие увеличения цифрового кода уже не могут его отключить. Таким образом, структура является изначально монотонной, независимо от погрешностей резисторов и, подобно предыдущему случаю, может быть сделана преднамеренно нелинейной там, где эта нелинейность требуется. Опять, как и в предыдущем случае, архитектура является редкостью, так как, если попытаться ее использовать для изготовления полного ЦАП, потребуется большое количество резисторов и коммутаторов. Но опять же она часто используется в качестве компонента в ЦАП более сложной структуры.

В отличие от делителя Кельвина, этот тип ЦАП не имеет уникального названия, хотя оба типа упомянуты как полно-декодирующие (fully decoded) ЦАП или строковые (string) ЦАП.

Рисунок 13.7 – Простейший ЦАП с токовым выходом

Полно-декодирующие ЦАП часто используются как компоненты более сложных ЦАП. Наиболее популярными являются сегментные ЦАП, где часть выходного сигнала полно-декодирующего ЦАП в дальнейшем вновь поступает на делитель. Данная структура используется потому, что полно-декодирующий ЦАП изначально монотонен, так что, если последующий делитель тоже монотонен, в целом является таковым же и результирующий ЦАП.

В сегментных ЦАП с выходом по напряжению (рис. 13.8) сигнал подается с одного из резисторов делителя Кельвина на новый делитель Кельвина (в этом случае полная структура известна как «делитель Кельвина-Варлея») или на ЦАП какой-либо другой структуры.

Рисунок 13.8 – Сегментные ЦАП с выходом напряжения

Во всех ЦАП выходной сигнал представляет собой результат комбинации опорного напряжения и цифрового кода. В этом смысле все ЦАП являются перемножающими, но многие из них хорошо работают только в ограниченном диапазоне Vref. Настоящие перемножающие ЦАП (MDAC) ориентированы на работы в широком диапазоне Vref.

АРХИТЕКТУРЫ ЦАП С МАЛЫМИ ИСКАЖЕНИЯМИ

Фактически, все высокоскоростные ЦАП с малыми искажениями используют некоторый вид режима токовой коммутации без ненасыщения. Как сказано выше, прямой двоичный ЦАП с одним токовым ключом на разряд дает кодозависимые ложные сигналы и, конечно, не является наиболее оптимальной архитектурой (рис. 13.9). ЦАП с одним токовым источником на кодовый уровень не имеет кодозависимых ложных сигналов, но не практичен в реализации, когда требуется достижение высокой разрешающей способности. Тем не менее, эта характеристика может быть улучшена, если декодировать несколько первых старших разрядов (MSB) в код «термометра» при одном токовом ключе на уровень.

Рисунок 13.9 – Архитектуры 5-разрядных двоичных ЦАП

Тема 15. Микропроцессоры

Основные понятия

Микропроцессор (МП)− функционально законченное программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки данных и управления процессом этой обработки, выполненное в виде одной или нескольких БИС.

Микропроцессорная система(МС)− цифровое устройство или цифровая система (система обработки данных, контроля и управления), построенная на базе одного или нескольких МП. Программно-аппаратный принцип построения МС − один из основных принципов их организации. Этот принцип заключается в том, что реализация целевого назначения МС достигается не только аппаратными средствами, но и с помощью программного обеспечения.

Микропроцессорная БИС− интегральная микросхема, выполняющая функцию МП или его части. По существу − это БИС с процессорной организацией, разработанная для построения микросистем. МП БИС относятся к особому классу микросхем, одной из особенностей которого является возможность программного управления БИС с помощью определенного набора команд. Кроме МП БИС существуют также интегральные схемы, выполняющие функции памяти и интерфейсов периферийных устройств.

Микропроцессорный комплект (микропроцессорные средства) — совокупность конструктивно и электрически совместимых ИС, предназначенных для совместного применения при построении микропроцессорных систем. Включает базовый комплект (процессор или процессорные секции) и расширенный комплект (тактовые генераторы, ЗУ, интерфейсные схемы, контроллеры внешних устройств)

Микро-ЭВМ – устройство обработки данных на основе микропроцессорных средств, содержащее процессор, устройства постоянной и оперативной памяти, устройства управления вводом-выводом информации и контроллеры внешних устройств.

Микроконтроллер − однокристальная микроЭВМ с небольшими вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированная на выполнение процедур управления различным оборудованием (а не на производство вычислений). Особенностью микроконтроллеров является расширенная реализация периферийных средств на кристалле.

Интерфейс – совокупность унифицированных аппаратных (технических) и программных средств, необходимых для подключения устройств к системе или одной системы к другой.

Шина – группа линий передачи информации, объединенных общим функциональным признаком.

Магистраль – совокупность шин, связывающих между собой все устройства микропроцессорной системы.

Прерывание – временное прекращение выполнения текущей программы и переход к выполнению программы обслуживания устройства, вызвавшего прерывание.

Алгоритм – набор предписаний, однозначно определяющих содержание и последовательность выполнения операций для решения определенной задачи.

Программа – последовательность инструкций, реализующих алгоритм.

Команда – предписание, определяющее шаг процесса выполнения программы.

Последнее изменение этой страницы: 2020-04-19; Нарушение авторского права страницы

Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для преобразования информации из цифровой формы в аналоговый сигнал. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 4.2.1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, интегральные микросхемы (ИМС) цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

  • o По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.
  • o По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.
  • o По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.
  • o По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рис. 4.2.1. Классификация ЦАП

Принцип работы ЦАП состоит в суммировании аналоговых сигналов, пропорциональных весам разрядов входного цифрового кода, с коэффициентами, равными нулю или единице в зависимости от значения соответствующего разряда кода. ЦАП преобразует цифровой двоичный код Q10Q9Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1 в аналоговую величину, обычно напряжение Uвых.. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

Uвых=e*(Q1 1+Q2*2+Q3*4+Q4*8+…+ Q10*1024) (4.2.1)

где e — напряжение, соответствующее весу младшего разряда, Qi — значение i -го разряда двоичного кода (0 или 1).

Например, числу 1001 соответствует

Uвых=у*(1*1+0*2+0*4+1*8)=9*e, а числу 1100

Рис. 4.2.2. Схема цифро-аналогового преобразователя

Упрощенная схема реализации ЦАП представлена на рис 4.2.2. В схеме i — й ключ замкнут при Qi=1, при Qi=0 — разомкнут. Регистры подобраны таким образом, что R>>Rн. Эквивалентное сопротивление обведенного пунктиром двухполюсника Rэк и сопротивление нагрузки Rн образуют делитель напряжения, тогда

Uвых = E Rн / Rэк + Rн » E*Rн / Rэк (4.2.2)

Проводимость двухполюсника 1 / Rэк равна сумме проводимостей ветвей (при Qi=1 i — ветвь включена, при Qi=0 — отключена):

1 / Rэк = Q1 / 8R + Q2 / 4R + Q3 / 2R + Q4 / R (4.2.3)

Подставив (4.2.3) в (4.2.2), получаем выражение, идентичное (4.2.1)

Uвых = (8Е Rн / R)*( Q1*1 + Q2*2 + Q3*4 + Q4*8 )

Очевидно, что е = 8Е Rн / R. Выбором е можно установить требуемый масштаб аналоговой величины.

Иными словами ЦАП преобразует числа, определенного в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. В десятиразрядном ЦАП имеется набор источников фиксированных напряжений, соответствующих каждому из 10 разрядов, и устройство для синхронного подключения (или отключения) этих напряжений к сумматору в зависимости от поступающих символов. Напряжение на выходе ЦАП максимальное, когда со всех элементов поступают единицы. Для десятиразрядного кода число дискретных уровней равно:

Максимальный размах цифровых яркостного и цветоразностных сигналов составляет 800 мВ.

Тогда цены разрядов начиная с самого младшего равны

800/1024 мВ, 800/512 мВ, 800/256 мВ, … , 800/2 мВ.

При кодовом слове, поступающем на вход ЦАП в виде 0,111111111111, напряжение на выходе будет максимально и равно

800/2 + 800/4 + 800/8 +…+ 800/512 + 800/1024 = 700 мВ,

а при слове 0,00000000001 напряжение будет минимально и равно

800/1024 = 0,78 мВ.

Рассмотрим статические 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. 22), 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.

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 h=Uпш/(2N-1), 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.

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

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

Нелинейность — максимальное отклонение реальной характеристики преобразования Uвых(D) от оптимальной (линия 2 на рис. 22). 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 рис. 22

Дифференциальная погрешность — 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 рис. 22,

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 ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины «все нули» до «все единицы» (рис. 23).

Время установления — интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 23 t=0) до момента, когда в последний раз выполняется равенство

причем d/2 обычно соответствует ЕМР.

Скорость нарастания — максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения ?Uвых ко времени ?t, 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.

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).

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 (572ПА1, 594ПА1, 1108ПА1, AD565А и др.), 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.

Для данного устройства выберем микросхему К572ПА1А. /13/ Микросхема К572ПА1А является набором универсальных функциональных элементов для построения 10-разрядных умножающих ЦАП последовательных приближений, управляемых делителей токов и напряжений, а также других сложнофункциональных схем. Зарубежным аналогом этой микросхемы является AD7520. Микросхема К572ПА1А осуществляет преобразование входного двоичного параллельного цифрового кода в выходной ток, пропорциональный значению кода и (или) опорного напряжения. Обладает возможностью реализации полного двух- и четырехквадратного умножения сигналов, малой потребляемой мощностью. Выполнена на комплементарных МОП-транзисторах с поликремневыми затворами и поликремневых прецизионных резисторах, не требующих лазерной подгонки, и содержит 144 интегральных элемента. Конструктивно оформлена в металлокерамическом корпусе типа 201.16-8 или 201.16-17. Масса микросхемы не более 2г.

Для функционирования микросхемы необходимы также внешние микросхемы источника опорного напряжения (ИОН) и операционного усилителя (ОУ).

Назначение выводов: 1 — аналоговый выход 1; 2 — аналоговый выход2; 3 — общий вывод; 4 — цифровой вход 1 (старший); 5 — цифровой вход 2; 6 — цифровой вход 3; 7 — цифровой вход 4; 8 — цифровой вход 5; 9 — цифровой вход 6; 10 — цифровой вход 7; 11 — цифровой вход 8; 12 — цифровой вход 9; 13 — цифровой вход 10 (младший); 14 — напряжение источника питания (Uп); 15 — опорное напряжение (Uоп); 16 — вывод резистора обратной связи.

Номинальное напряжение питания (вывод 14)………….…………. 15 В

Номинальное опорное напряжение (вывод 15)………………….. 10,24 В

Ток потребления по выводу 14 при Uп=15В, Uоп=10,24 В, Uвх1 = 3,6…15 В, Т = -10…+70 С, не более ………………………………….… 2 мА

Дифференциальная нелинейность (в % от полной шкалы) при Uп = 15 В, Uоп = 10,24 В,

Uвх1 = 3,6…15 В, Uвх0 = 0…0,8 В, Т = -10…+70 0С…….. -0,1…0,1 %

Нелинейность (в % от полной шкалы) при Uп=15В, Uоп=10,24 В, Uвх1 = 3,6…15 В,

Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке (при тех же условиях) ………………………………..…………………………… -3…5%

Выходной ток смещения нуля ………………….………………… 100 нА

Время установления выходного тока, не менее ……. …………… 5 мкс

Число разрядов, не менее ………………………………………….. 10

Входной ток по цифровым входам ………………………………. 1 мкА

Выходной ток при Uоп = 22,5 В ……………………….……… 4,5 мкА

Рассеиваемая мощность при Uоп = 10 В …………. ………….. 20 мВт

Температурный коэффициент дифференциальной нелинейности 3,5*10-61/ 0С

Температурный коэффициент абсолютной погрешности преобразования в конечной точке шкалы …………………. …….15*10-51/ 0С

Предельные эксплуатационные данные

Напряжение питания ……………………………………. 13,5…16,8 В

Опорное напряжение ………………………………………. -22,5…22,5 В

Входное напряжение низкого уровня …………..…………….. 0…0,8 В

Входное напряжение высокого уровня ……….………… 3,6 В … Uп

Каждый электрик должен знать:  Технологические карты на монтаж электрооборудования
Добавить комментарий