Структура и алгоритм работы ЦАП

 

Целью практикума является:

- изучение состава и алгоритмов работы нескольких разновидностей ЦАП;

- детальное изучение и работа с ЦАП типа 572 ПА1;

- сборка электрической схемы;

- получение временных диаграмм, поясняющих алгоритм работы ЦАП;

- получение передаточной характеристики ЦАП в координатах двоичный цифровой код- аналог.

ЦАП представляет собой устройство, преобразующее информацию, выводимую с цифровых систем из цифрового вида в аналоговые уровни или другие параметры аналоговых сигналов. ЦАП сопрягает цифровую систему с датчиками, измерительными приборами, управляющими или исполнительными устройствами сложных многопараметровых объектов управления или систем сбора и обработки информации.

К настоящему времени разработаны и широко применяются несколько разновидностей ЦАП, но в основе работы каждого из них заложен принцип суммирования токов с разрядных генераторов тока с весовыми коэффициентами, пропорциональными цифровому коду, поступающему на вход ЦАП. Рассмотрим один из базовых вариантов структурной схемы ЦАП, приведенный на рисунке 7.1 и поясняющй принцип суммирования токов.

Для построения схемы предусмотрены источник опорного напряжения (ИОН), электронные ключи Кл1-Kлn, управляемые по сигналам цифрового кода А1-Аn, цепочка резисторов с двоично - взвешенными номиналами (R, 2R, 4R,..,2^N-1R) и суммирующий усилитель на основе операционного усилителя (ОУ). Допустим, что пришел цифровой двоичный код, в котором в старшем разряде "1", а в остальных разрядах "0", т.е. код 100....000. Тогда ключ Клn будет в замкнутом состоянии и на вход усилителя будет поступать ток:

I_N=(U_оп /R) ,

 

где: U_оп - опорное напряжение ИОНа.

 

На выходе суммирующего усилителя появится напряжение:

 

U_N = I_N(R/2) = (U_оп /R) (R/2) = U_оп / 2

 

Представим теперь, что появился код, в котором все разряды кода равны "0", кроме сигнала А1. В этом случае коду 000...001 будет соответствовать ток и напряжение:

I ₁= U_оп /2^N-1R ,

 

U₁= I₁ (R/2) = (U_оп /2^N-1R) (R/2) = U_оп / 2^N,

 

т.е. напряжение на выходе усилителя будет равно весу младшего значащего разряда (МЗР) ЦАП.

 

Рисунок 7.1 – Схема, поясняющая принцип работы ЦАП с цепочкой резисторов с двоично - взвешанными номиналами

 

Следовательно, в зависимости от кодовой комбинации на входе ЦАП замыкаются соответствующие ключи и на вход суммирующего усилителя поступают соответствующие разрядные токи, вызывающие формирование на выходе усилителя (выходе ЦАП) напряжения, пропорционального входному коду.

Существенным недостатком ЦАП с двоично - взвешенными номиналами резисторов является необходимость получения широкого диапазона тщательно согласованных номиналов резисторов от R до 2^N-1R , что усложняет технологию производства таких ЦАП в микроэлектронном исполнении.

Значительное распространение получили ЦАП, построенные с последовательно-параллельной цепочкой резисторов R-2R (рисунок 7.2).

 

Рисунок 7.2 – Схема, поясняющая принцип работы ЦАП с цепочкой резисторов R-2R

 

Замечательным свойством цепочки R-2R является то, что в любом из узлов цепочки выходное сопротивление равно R. Например, в узле (1) выходное сопротивление определяется параллельным сопротивлением 2^х резисторов с номиналами 2R, т.е. равно R. В узле (2) выходное сопротивление также будет равно значению R, т.к.

[ (2R||2R) + R] ||2R = R

 

Это свойство цепочки R-2R позволяет задавать разрядные токи на входе суммирующего усилителя в масштабе, пропорциональном значению R и значению цифрового кода. Действительно, если использовать электронные ключи КлN на два положения, которые позволяют подключать резисторы 2R каждого узла (разряда) или к общей шине или к опорному напряжению U_оп, то в случае кода 100...000, когда включен ключ КлN старшего разряда, а остальные ключи находятся в положении "общая шина", ток на входе будет равен:

 

I_N= U _оп/2R,

 

U_N = (U_оп /2R) R = U_оп / 2.

 

Для кода 010...000 будет работать только ключ Кл(N-1) и задавать ток:

 

I_N-1= U_оп / 4R,

U_N--1 = (U_оп / 4R) R = U_оп /4.

Младший значащий разряд определяется кодом 000...001, который задает соответствующие ток и напряжение:

 

I ₁= U_оп / 2^N-1R,

 

U₁= U_оп / 2^N.

 

Таким образом, для любой из 2^N кодовых комбинаций можно найти входной ток суммирующего усилителя и выходное напряжение по формуле:

 

I_ВХ= А U_оп /2^N R,

 

U_ВЫХ= А U_оп /2^N,

 

где: А - входной код ЦАП.

 

Преимуществом применения в ЦАП цепочки R-2R можно отметить легко поддающуюся точную подгонку номиналов резисторов, т.к. номиналы отличаются только в 2 раза. Однако, в ЦАП, построенных с применением цепочки R-2R, требуется в два раза больше резисторов и необходимы ключи на два положения, что также усложняет технологию производства этих ЦАП.

К основным параметрам ЦАП относятся:

1) разрешающая способность - число уровней квантования выходного сигнала (число двоичных разрядов входного кода).

2) интегральная нелинейность - отражает степень отклонения характеристики преобразования от идеальной характеристики (в частности от прямой линии).

3) время установления - время, требуемое для установления выходного сигнала ЦАП в пределах ± 1/2 МЗР для заданного изменения входного кода, например, при его изменении от нуля до полного значения шкалы.

В качестве примера рассмотрим структурную схему промышленного ЦАП типа К572ПА1, приведенного на рисунке 7.3.

Десятиразрядный ЦАП К572ПА1 содержит внешний источник опорного напряжения ИОН, ряд R-2R резисторов, двунаправленные ключи на МОП-транзисторах n-типа VT1-VT2, усилители - инверторы УИ для приема кодовых сигналов и выработки управляющих напряжений на ключи Кл1-Кл10, внешний суммирующий операционный усилитель ОУ. Принцип действия описываемого ЦАП аналогичен принципу действия ЦАП, приведенного на рисунке 7.2.

 

 

Рисунок 7.3 – Функциональная электрическая схема ЦАП типа К572ПА1 (А-Г)

 

Условное – графическое обозначение ЦАП в принципиальных электрических схемах представлено на рисунке 7.4.

 

 

Рисунок 7.4 – Условно – графическое обозначение ЦАП

 

Назначение выводов в обозначении:

- D0-D9 - входы для подачи цифрового кода;

- U_П - напряжение питания;

- U_ОП - опорное напряжение;

- ОV - корпус (общая шина);

- R_ос - вход подключения сигнала обратной связи;

- I_ВЫХ - выходной ток ЦАП;

- I_ВЫХ - общая шина выходного тока.

Основные параметры ЦАП 572ПА1 следующие:

- цена (вес) МЗР - 10,24 В/ 2¹⁰=10 мВ;

- интегральная нелинейность характеристики - ±0,1% от полной шкалы;

- время установления выходного тока - не более 5 мкс.