ЦАП с суммированием токов

Введение

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП)

В электронных схемах широко используется обработка информации, представленной в цифровой форме (контроллеры, процессоры). Использование полученных после цифровой обработки результатов требует их аналогового представления. Назначение цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) – преобразование входной величины, представленной последовательностью числовых кодов, в эквивалентные им значения заданной физической величины (чаще всего это напряжение).

Наиболее широко в интегральном исполнении применяются ЦАП, реализующие метод суммирования нескольких различных эталонов. Значения этих эталонов пропорциональны величинам весовых коэффициентов используемого кода. Входной код подается на вход таких ЦАП в параллельной форме.

Интегральные схемы ЦАП могут выполняться как функционально завершенными, т.е. не требующими для своей работы дополнительных элементов, так и функционально незавершенными. В последнем случае в качестве внешних элементов, как правило, применяют источник эталонного (опорного) напряжения (ИОН), операционный усилитель, резисторы и т.д. (они более функциональные и имеют больший сбыт).

Работа с внешним ИОН позволяет разделить все ЦАП на две группы: умножающие – работающие с изменяющимся во времени внешним источником (U_вых подвергается двойной модуляции – за счет входного кода и ИОН→var) и неумножающие (с ИОН→const).

Следует подчеркнуть, что при любом построении ЦАП преобразованию подвергается опорный аналоговый сигнал, а входной цифровой сигнал является модулирующим. Всякое изменение на единицу младшего разряда вызывает изменение выходного аналогового сигнала на определенную величину, которая называется шагом квантования.

Здесь в качестве эталона для суммирования является ток. Величина эталона тока (вес) зависит от позиции разряда входного сигнала h. Упрощенная схема ЦАП показана на рис. 6.15 и является схемой с суммированием токов, которые в этом случае формируются с помощью резистивной матрицы типа R-2R. Особенностью такой матрицы является то, что ее входное сопротивление при любом положении ключей S₁, S₂, …, S_m равно 2R, т.е. общий ток, втекающий в матрицу, равен E₀/2R. Это легко доказывается на рис. 6.16. При любом положении ключей S_i к резистору номинала 2R всегда подключена «земля». Если разряд входного кода A_i=0, то ключ S_i подключит этот резистор непосредственно к «земле» (на схеме рис. 6.15 в правое положение). Если А_i=1, то резистор номинала 2R

Рис. 6.15. ЦАП с цепочкой резисторов R-2R с токовым выходом

подключается к инвертирующему входу суммирующего усилителя, сгенерированным на базе операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью с помощью резистора R_ос. В такой схеме усилителя за счет напряжения U_вых и резистора R_ос на инвертирующем входе поддерживается потенциал, равный другому неинвертирующему входу, который подключен к «земле», т.е. на инвертирующем входе присутствует виртуальная «земля».

а) б)

в) г)

Рис. 6.16. Поэтапная (а,б,в,г) модификация матрицы R-2R

С другой стороны это доказывает, что инвертирующий суммирующий усилитель реагирует не на потенциал инверсного входа, а на поступающие на его вход токи.

Если начать последовательно объединять параллельно включенные сопротивления матрица R-2R, то легко доказывается величина входного сопротивления матрица R-2R, (R_вх=2R) и последовательное уменьшение вдвое напряжения в узлах схемы по мере их удаления от источника опорного напряжения и к такому же уменьшению токов, передающих через ключи S_m, S_m-1, …, S₁. На рис. 6.16 приведена такая процедура для трехбитного входного кода. В общем виде выходное напряжение равно:

U_вых= _i2^i-m.

Если R_oc=R, то

U_вых= _i2^i-m.

Из последнего выражения следует, что величина выходного напряжения ЦАП зависит от величины напряжения E₀ опорного источника. Этим обстоятельством пользуются для построения так называемых умножающих ЦАП. Ко входу опорного источника подключают источник изменяющегося напряжения, и преобразователь в этом случае будет выступать в качестве модулятора, который будет формировать выходной сигнал пропорциональный произведению управляющего кода и напряжения, поданного на вход опорного сигнала.

Схемы ЦАП на основе резистивных матриц R-2R практичны, надежны, обладают высокой скоростью преобразования и легко реализуются в интегральном исполнении.

Дата добавления: 2015-03-29