Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), принцип работы, типы

Что такое ЦАП?

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) – предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук). Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом (что, в частности, имеет место при управлении двигателями).

Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления t_уст — интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выход­ной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности — максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования. Как и рассматриваемые аналого-цифровые преобразователи (АЦП), ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.

Схема ЦАП с суммированием весовых токов

На рис. 3.88 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов. Ключ S₅ замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S₁…S₄ (при этом u_вых= 0). U₀ — опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа. По существу этот ЦАП — инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ

S1, то u_вых= −U₀R_oc/ R

что соответствует в первом и нулям в остальных разрядах.

Из вышеизложенного следует, что u_вых= − ( U₀R_oc / R ) · S₁ − ( U₀R_oc / (R/2) ) · S₂ – − ( U₀R_oc / (R/4) ) · S₃ − ( U₀R_oc / (R/8) ) · S₄ = = − ( U₀R_oc / R ) · ( 8S₄ + 4S₃ + 2S₂ + S₁) где S_i ,i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут. Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

ЦАП на резистивной матрицы R — 2R

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R(матрицы постоянного сопротивления) (рис. 3.89). В схеме использованы так называемые перекидные ключи S₁…S₄, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S₅ замкнут только тогда, когда все ключи S₁…S₄ подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Пусть каждый из ключей S₁…S₄ подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»…«d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжения U_а, U_b, U_c и U_d в указанных точках определяются следующим образом:

U_a = U₀

U_c = U₀ / 2

U_b = U₀ / 4

U_d = U₀ / 8

Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «a»…«d» не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое. Из вышеизложенного следует, что: u_вых= − ( U₀R_oc / 2R ) · S₄ − ( (U₀/2) R_oc / 2R ) · S₃ –  ( (U₀/4) R_oc / 2R ) · S₂ − ( (U₀/8) R_oc / 2R ) · S₁ =  − ( U₀R_oc/ 16R) · ( 8S₄+ 4S₃+ 2S₂ + S₁) где S_i , i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел

Рассмотрим ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел (рис. 3.90). Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R − 2R (обозначены прямоугольниками). Z₀…Z₃ обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R − 2R.

Из анализа следует, что

U₂ = U₁ · [ ( R||9R) / (8,1R + R||9R) ]

R||9R = (R · 9R) / (R + 9R) = 0,9R

Следовательно, U₂ = 0,1 U₁. С учетом этого получим?

u_вых= − ( U₀R_oc / 16R ) · 10⁻³ ( 10³ · Z₃ + 10² · Z₂ + 10 · Z₁ + Z₀)

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 3.2 приведены…

Параметры ЦАП