🗊Презентация Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Микропроцессорная техника в приборах, системах и комплексах Лекция 6 Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Определение ЦАП Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство, предназначенное для преобразования числа, определен-ного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропор-циональные значению цифрового кода.

Статическая характеристика преобразования ЦАП 1 – идеальная характеристика; 2 – оптимальная характеристика; Реальная характери-стика – ступенчатая характеристика (сплошная линия) «вокруг» оптималь-ной характеристики.

Статические параметры ЦАП К статическим параметрам ЦАП относятся: Разрешающая способность Погрешность полной шкалы Погрешность смещения нуля Нелинейность Дифференциальная нелинейность Монотонность характеристики преобразо-вания Температурная нестабильность

Разрешающая способность 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 где Uпш – номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы), N – разрядность входного кода ЦАП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

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

Нелинейность характеристики Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования Uвых(D) от оптимальной (линия 2 на статической характеристике ЦАП). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в от-носительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР.

Дифференциальная нелинейность характеристики Дифференциальная нелинейность – 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.

Монотонность и температурная нестабильность характеристики Монотонность характеристики преобразо-вания – 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 ЦАП характеризуется температурными коэффи-циентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Динамические параметры ЦАП Динамические параметры ЦАП определяются по переходной характеристике при скачкооб-разном изменении входного сигнала от «всех нулей» до «всех единиц». К динамическим параметрам относятся: время установления; скорость нарастания.

Время установления Время установления – интервал времени от момента изменения входного кода до момента, когда в последний раз выполняется равенство , причем d/2 обычно соответствует ЕМР.

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

Классификация ЦАП (по схемотехническому признаку)

Классификация ЦАП (другие признаки) ЦАП классифицируются по следующим признакам: По виду выходного сигнала: с токовым выходом; с выходом в виде напряжения. По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом входного кода; с параллельным вводом входного кода. По числу ЦАП на кристалле: одноканальные; многоканальные. По быстродействию: низкого быстродействия; среднего быстродействия; высокого быстродействия.

ЦАП с суммированием весовых токов 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. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов.

Схема ЦАП с суммированием весовых токов (простая)

Выходной ток ЦАП 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:

Точность 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

Недостатки схемы При различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полу-проводниковых ИМС. В этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

ЦАП с МОП-ключами и матрицей постоянного импеданса

Матрица 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, который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление Rн, то его входное сопротивление Rвх также должно принимать значение Rн. Коэффициент ослабления цепи α=U2/U1 при этой нагрузке должен иметь заданное значение.

Построение матрицы постоянного импеданса Решая систему уравне-ний Кирхгофа для од-ной ступени матрицы, при выполнении ука-занных условий полу-чаем: При двоичном кодиро-вании =0,5. Если положить Rн=2R, то Rs=R, Rp=2R

Входной и выходные токи Выходные токи схемы определяются соотношениями: Входной ток определяется соотношением:

Перемножающие ЦАП Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей Sk соедине-ны с общей шиной схемы через низкое сопротивле-ние замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких мВ. 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, преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими.

Точность и быстродействие Точность этой схемы снижает то обстоя-тельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления R0 ключей с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов. ЦАП на МОП-ключах имеют относительно низкое быстродействие из-за большой входной емкости МОП-ключей

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 источ-никами тока, имеющими высокое динамическое сопротивление.

Схема ЦАП на источниках тока

Выходной ток Весовые токи формируются с помощью резистив-ной матрицы. Потенциалы баз транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами. 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:

Формирование выходного сигнала в виде напряжения Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов.

Схема на основе операционного усилителя На рисунке (а) приведена схема с преобра-зователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом. Поскольку пленочные резисторы, опреде-ляющие весовые токи ЦАП, имеют значи-тельный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи Rос следует изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразова-теля в 300:400 раз.

Выходное напряжение схемы Для ЦАП на МОП-ключах выходное напряжение схемы на рисунке (а): Обычно сопротивление резистора обратной связи Rос=R. В таком случае:

Получение напряжения на выходе ЦАП с помощью резистора Для ЦАП на источниках тока преобразование выходного тока в напряжение может быть произведено с помощью резистора (рисунок (б)). В этой схеме невозможно самовозбуждение и сохранено быстродействие, однако амплитуда выходного напряжения должна быть небольшой. В противном случае транзисторы источников тока могут выйти из линейного режима. Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления нагрузки: Rн>1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к её выходу можно подключить неинвертирующий усилитель на ОУ.

Схема с инверсным включением резистивной матрицы Для ЦАП с МОП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение рези-стивной матрицы.

Выходное напряжение схемы Пусть все напряжения на ключах схемы равны 0, кроме Ui на ключе Si. По методу двух узлов находим, что узловое напряжение U’i при Rн=2R равно: Выходное напряжение:

Эквивалентная схема ЦАП При произвольной нагрузке воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе. Из эквивалентной схемы ЦАП получаем: . При Rэ=R и Rн=2R , используя выражение для Uвых, получаем:

Выходное напряжение схемы при произвольной нагрузке Подставляя Еэ в формулу для Uвых, для произвольной нагрузки получаем: При Rн= получаем:

ЦАП с суммированием напряжений

Устройство ЦАП с суммированием напряжений На рисунке представлена схема восьмиразрядного ЦАП с суммиро-ванием напряжений. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последо-вательно. Вывод W через ключи S0:S255 может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа.

Выходное напряжение ЦАП Входной двоичный код D преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение UAB между выводами А и В, то напряжение между выводами W и B составит:

Достоинство и недостаток схемы Достоинством данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантиро-ванная монотонность характеристики преобра-зования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом. Недостаток схемы – необходимость изгота-вливать на кристалле большое количество (2N) согласованных резисторов. Тем не менее, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-ти разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе.

Интерфейсы ЦАП Структура цифрового интерфейса опреде-ляет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, МП или МК. Свойства цифрового интерфейса влияют непосредственно на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобра-зователя приводит к появлению узких выбросов, "иголок", в выходном сигнале при смене кода.

Особенности ЦАП в устройствах «жесткой» логики и микропроцессорных системах При управлении ЦАП от цифровых устройств с «жесткой» логикой управляющие входы ключей ЦАП могут быть непосредственно подключены к выходам цифровых устройств. Если же ЦАП входит в состав микро-процессорной 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.

Типы интерфейсов ЦАП 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.

ЦАП с последовательным интерфейсом выходных данных

Устройство последовательного интерфейса Такой преобразователь содержит на кри-сталле помимо собственно ЦАП допол-нительно также последовательный регистр загрузки, параллельный регистр хранения и управляющую логику. Чаще всего используется трехпроводный интерфейс, который обеспечивает управ-ление ЦА-преобразователем от SPI, QSPI, MICROWIRE интерфейсов процессоров.

Принцип работы интерфейса При активном уровне сигнала CS (в данном случае - нулевом) входное слово длины N (равной разрядности ЦАП) загружается по линии DI в регистр сдвига под управ-лением тактовой последовательности CLK. После окончания загрузки, выставив активный уровень на линию LD, входное слово записывают в регистр хранения, выходы которого непосредственно управ-ляют ключами ЦАП.

ЦАП с параллельным интерфейсом Существует два основных варианта структуры параллельного интерфейса. В первом варианте на N входов данных N-разрядного ЦАП подается всё входное слово целиком. Интерфейс такого ЦАП включает два регистра хранения и схему управления.

Структура и временные диаграммы ЦАП с параллельным интерфейсом

Принцип работы параллельного интерфейса Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП и уста-новка выходного аналогового сигнала, соответствующего этому коду, должны быть разделены во времени. Подача на вход асинхронного сброса CLR сигнал низкого уровня приводит к обнулению первого регистра и, соот-ветственно, Uвых ЦАП.

Второй тип параллельного интерфейса ЦАП Для подключения многоразрядных ЦАП к устройствам с меньшей, чем у таких ЦАП, разрядностью используется второй вари-ант параллельного интерфейса. Он предусматривает наличие двух парал-лельных загрузочных регистров для при-ёма младшего байта входного слова МБ и старшего байта – СБ. Пересылка байтов входного слова в загрузочные регистры может происходить в любой последова-тельности.

Схема параллельного интерфейса по второму варианту

Обработка чисел со знаком Обработка целых чисел (биполярных) имеет определенные особенности. Обычно двоичные целые числа предста-вляются 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, – отрицатель-ными. Среднее число 128 соответствует нулю. Такое представление чисел со знаком, называется смещенным кодом. Прибавление числа, составляющего половину пол-ной шкалы данной разрядности (в нашем примере это 128), делается путем инверсии старшего (знакового) разряда.

Связь между цифровыми и аналоговыми величинами

Обработка чисел со знаком (2) Чтобы получить выходной сигнал с правильным знаком, необходимо осуществить обратный сдвиг путем вычитания тока или напряжения, составляющего половину шкалы пре-образователя. Для различных типов ЦАП это можно сделать разными способами.

Схемы биполярного включения ЦАП

Обработка чисел со знаком (3) Например, у ЦАП на источниках тока, диапазон изменения Uоп ограничен, причем Uвых имеет полярность обратную полярности Uоп. В этом случае биполярный режим наиболее просто реализуется включением дополнительного резистора смещения Rсм между выходом ЦАП и входом Uоп (рисунок (а)). Резистор Rсм изготавливается на кристалле ИМС. Его сопротивление выбрано таким, чтобы ток Iсм составлял половину максимального значения Iвых ЦАП.

Обработка чисел со знаком (4) Для ЦАП на МОП-ключах в целях сохранения температурной стабиль-ности лучше обеспечить формирование Iсм непосредственно в ЦАП. Для этого в схему такого ЦАП вводят второй операционный усилитель и второй выход ЦАП подключают ко входу этого ОУ (рисунок (б)).

Обработка чисел со знаком (5) Второй выходной ток ЦАП На входе ОУ1 ток I'вых суммируется с током Iмр, соответствующим единице младшего разряда входного кода. Суммарный ток инвертируется. Ток, протекающий через резистор обратной связи Rос ОУ2, составляет С учетом значения Iвых

Обработка чисел со знаком (6) При D=0 ; При D=2N-1 ; При N=8 это с точностью до множителя 2 совпадает с данными таблицы, с учетом того, что для преобразователя на МОП-ключах максимальный выход-ной ток

Система прямого цифрового синтеза (1) Важной областью применения ЦАП является синтез аналоговых сигналов необходимой формы. Аналоговые генераторы сигналов – синусоидальной, треугольной и прямоугольной форм – имеют низкую точность и стабильность, не могут управляться от ЭВМ. В последние годы получили развитие системы прямого цифрового синтеза сигналов, обеспечивающие высокую точность задания частоты и начальной фазы сигналов, а также высокую верность воспро-изведения их формы. Более того, эти системы позволяют генерировать сигналы большого многообразия форм, в том числе и форм, задаваемых пользователем.

Система прямого цифрового синтеза (2) Схема генератора прямого цифрового синтеза (справа) содержит 3 основных блока: генератор фазового угла память ЦАП.

Система прямого цифрового синтеза (3) Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливающий сумма-тор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает приращение на некоторый фазовый угол через заданные интервалы времени. Приращение фазы Dj загружается в виде цифрового кода во входные регистры. Память играет роль таблицы функций. Код текущей фазы поступает на ее адресные входы, а с выхода данных на вход ЦАП поступает код, соответствующий текущему значению заданной функции. ЦАП в свою очередь формирует аналоговый сигнал.

Система прямого цифрового синтеза (4) Регистр содержит текущую фазу выходного сигнала в виде целого числа, которое будучи поделено на 2N, где N -разрядность сумматора, равно доле периода. Увеличение разрядности регистра повышает только разрешающую способность этой доли. Частота выходного сигнала равна произведению частоты тактов fтакт на приращение фазы в каждом периоде тактов. При использовании N-разрядного сумматора частота выходного сигнала будет равна

Примеры микросхем ЦАП