Материал: АЦП
Электроника
Устройства сопряжения цифровых и аналоговых устройств
ЦАП – цифро-аналоговые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования дискретного (цифрового) сигнала в непрерывный (аналоговый) сигнал. Преобразование производится пропорционально двоичному коду сигнала.
DAC – Digital to Analog Converter
АЦП – аналого-цифровые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования непрерывных (аналоговых) сигналов в цифровые.
ADC – Analog to Digital Converter
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)
Uвых,В |
идеальная ХП |
|
|
реальная ХП |
|
1,4 |
|
|
1,0 |
|
|
0,6 |
h |
|
|
||
0,2 |
N (код) |
|
0 |
||
|
Характеристика
преобразования
|
Цифровой |
Аналоговый |
|
сигнал (код) |
сигнал (Uвых,В) |
0 |
0000 |
0 |
|
|
|
1 |
0001 |
0,2 |
|
|
|
2 |
0010 |
0,4 |
|
|
|
3 |
0011 |
0,6 |
|
|
|
4 |
0100 |
0,8 |
|
|
|
5 |
0101 |
1,0 |
|
|
|
6 |
0110 |
1,2 |
|
|
|
7 |
0111 |
1,4 |
|
|
|
Характеристика
преобразования –
Uвых= f (N)
Идеальная х-ка – линейная, всякое отклонение от нее
влечет ошибки в
преобразовании.
1
ЦАП
При последовательном возрастании значений входного кода N от 0 до 2n-1 через единицу младшего разряда выходной сигнал образует ступенчатую функцию. В отсутствие
аппаратных погрешностей средние токи ступенек расположены на идеальной
характеристике, которой соответствует прямая линия.
Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для качественного описания этих различий существует ряд параметров.
Интервал значений выходной аналоговой величины называется диапазоном.
Интервал напряжения между двумя соседними напряжениями называется ступенью квантования (у идеальной ХП ступени квантования одинаковы):
|
|
|
|
|
|
где b = 2n – значение кода; n – число разрядов ЦАП; Xmax, Xmin |
– |
||||||||
|
|
|
Xmax |
Xmin |
|
максимальное |
и |
минимальное |
значение аналоговой величины |
||||||
h |
|
, |
соответственно. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
b |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
В данном случае |
|
1,4 |
0 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
h |
0,2В |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Основные параметры ЦАП: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
1. |
N – разрядность. |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
7. |
Погрешности преобразования (погрешность |
|
|
||||||||||
2. |
Максимальный выходной ток. |
|
смещения нуля на выходе, абсолютная погрешность |
||||||||||||
3. |
Напряжение питания. |
|
|
преобразования, нелинейность преобразования, |
|
|
|||||||||
|
|
дифференциальная нелинейность). |
|
|
|||||||||||
4. |
Величина опорного напряжения. |
|
|
|
|||||||||||
|
8. |
Время преобразования – интервал времени с |
|
|
|||||||||||
5. |
Разрешающая способность. |
|
|
|
|||||||||||
|
момента предъявления (подачи) кода до момента |
|
|
||||||||||||
6. |
Уровни управляющего напряжения |
|
|
|
|||||||||||
|
появления выходного сигнала. |
|
|
||||||||||||
|
|
(ТТЛ или КМОП). |
|
|
9. |
Время установления аналогового сигнала. |
2 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ЦАП
Основными элементами ЦАП служат:
•резистивные матрицы (набор делителей с определенным ТКС, с определенным отклонением 2%, 5% и менее) могут быть встроены в ИМС;
•ключи (на биполярных или МОП-транзисторах);
•источник опорного напряжения.
S0 20R
S1 21R
S2 22R
S3 23R
Uоп+
1 - ключ замкнут
0 - ключ разомкнут
Основой принцип преобразования
|
|
|
|
Iос |
|
Rос |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I0 |
Iвх |
+ |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
I1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
KU |
|
Rос |
|
|
|
||||||||
|
|
|
Ri |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Принцип преобразования заключается в
суммировании токов, пропорциональных
весам двоичных разрядов, причем суммируются токи только тех разрядов,
+ значения которых равны лог. 1.
uвых
Пусть на входы управления подан сигнал 0110, т.е. ключи S1 и S2 замкнуты.
|
Iвх I1 |
I2; Iвх |
Iос ; Uвых |
URос Iос Rос . |
||||||||
KU |
|
|
Rос |
|
Rос 6R |
|
0,75 |
Rос |
|
|
||
|
|
2R 4R |
|
8R2 |
R |
|
||||||
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
2R |
4R |
|
|
|
|
|
|
||
Uвых |
Uоп |
0,75 |
Rос |
|
3 |
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
Достоинство: простота.
Недостатки:
1.Потребляемый ток от источника Uоп зависит от кода на входе схемы. Изменение данного
тока влияет на величину Uоп, а следовательно увеличивает погрешность преобразования.
2.Реализации схемы в интегральном виде препятствует существенное отличие сопротивлений весовых резисторов (в тысячи раз).
3.Дополнительные погрешности преобразования возникают, если сопротивления резисторов старших разрядов будут соизмеримы сопротивлением замкнутого ключа.
С учетом перечисленных недостатков данная схема ЦАП применяется при небольшом числе разрядов (n<8).
4
R-2R-матрицы
|
|
|
|
|
|
Uоп |
R |
|
Uоп |
R |
Uоп |
|
R |
Uоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
4 |
|
|
8 |
|
|
|
|
|
Uвых |
Iвх Rос |
|
|
||||||||||||||
+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Uоп |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
2R |
|
|
|
|
2R |
|
|
|
|
|
|
|
|
2R |
|
2R |
|
|
2R |
U |
|
Rос |
(8 S |
+4 S |
+2 S +1 S |
) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
оп 16R |
3 |
2 |
1 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
S3 |
|
S2 |
|
S1 |
|
|
S0 |
|
|
||||||||||||||||||||
Rос
Iвх
uвых
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
в х о д ы у п р а в л е н и я |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
R1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Rвх |
R1 |
R2 || Rн |
|||
|
|
|
R2 |
|
|
|
|
|
Rн |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
R |
R |
2R const |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Делитель – основной элемент матрицы. Особенность: при подключению к делителю Rн его входное сопротивление должно быть равно Rн. Это достигается при R1 = R, R2 = 2R, Rн = 2R.
R-2R-матрицы применяются в ЦАП,
выполненных по интегральной
технологии.
R-2R-матрицу называют матрицей постоянного сопротивления,
независимо от кода, поданного на
входы управления, входное
сопротивление матрицы не меняется.
Нагрузкой источника Uоп является неизменное входное сопротивление матрицы и соответственно ток, потребляемый от Uоп не зависит от
кода на входах управления,
следовательно величина Uоп более стабильна.
5