Применение цифроаналоговых преобразователей

В общем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока (рис. 7.1), имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход. На цифровые входы ЦАП подается n -разрядный код N, на аналоговый вход – опорное напряжение U _оп (другое распространенное обозначение – U_REF). Выходным сигналом является напряжение U _вых (другое обозначение – U ₀) или ток I _вых (другое обозначение – I ₀). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорциональны входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение.

Рис. 7.1. Микросхема ЦАП

Кроме информационных сигналов, микросхемы ЦАП требуют также подключения одного или двух источников питания и общего провода. Обычно цифровые входы ЦАП обеспечивают совместимость со стандартными выходами микросхем ТТЛ.

Чаще всего, если ЦАП имеет токовый выход, его выходной ток преобразуется в выходное напряжение с помощью внешнего операционного усилителя и встроенного в ЦАП резистора R _ОС, один из выводов которого выведен на внешний вывод микросхемы (рис. 7.2). Поэтому, если не оговорено иное, будем в дальнейшем считать, что выходной сигнал ЦАП – напряжение U ₀.

Рис. 7.2. Преобразование выходного тока ЦАП в выходное напряжение

Суть преобразования входного цифрового кода в выходной аналоговый сигнал состоит в суммировании нескольких токов (по числу разрядов входного кода), каждый последующий из которых вдвое больше предыдущего. Для получения этих токов используются или транзисторные источники тока, или резистивные матрицы, коммутируемые транзисторными ключами.

Рис. 7.3. 4-разрядное цифро-аналоговое преобразование

В качестве примера на рис. 7.3 показано 4-разрядное (n = 4) цифроаналоговое преобразование на основе резистивной матрицы R –2 R и ключей (в реальности используются ключи на основе транзисторов). Правому положению ключа соответствует единица в данном разряде входного кода N (разряды D 0… D 3). Операционный усилитель может быть как встроенным (в случае ЦАП с выходом по напряжению), так и внешним (в случае ЦАП с выходом по току).

Первым (левым по рисунку) ключом коммутируется ток величиной U_REF /2 R, вторым ключом – ток U_REF /4 R, третьим – ток U_REF /8 R, четвертым – ток U_REF /16 R. То есть токи, коммутируемые соседними ключами, различаются вдвое, как и веса разрядов двоичного кода. Токи, коммутируемые всеми ключами, суммируются и преобразуются в выходное напряжение с помощью операционного усилителя с сопротивлением R _ОС= R в цепи отрицательной обратной связи.

При правом положении каждого ключа (единица в соответствующем разряде входного кода ЦАП) ток, коммутируемый этим ключом, поступает на суммирование. При левом положении ключа (нуль в соответствующем разряде входного кода ЦАП) ток, коммутируемый этим ключом, на суммирование не поступает.

Суммарный ток I ₀ от всех ключей создает на выходе операционного усилителя напряжение U ₀= I ₀ R _ОС= I ₀ R. То есть вклад первого ключа (старшего разряда кода) в выходное напряжение составляет U_REF /2, второго – U_REF /4, третьего – U_REF /8, четвертого – U_REF /16. Таким образом, при входном коде N = 0000 выходное напряжение схемы будет нулевым, а при входном коде N = 1111 оно будет равно –15 U_REF /16. В общем случае выходное напряжение ЦАП при R _ОС= R будет связано со входным кодом N и опорным напряжением U_REF простой формулой

U _ВЫХ = – N U_REF 2^{- n} ,

где n – количество разрядов входного кода. Знак минус получается из-за инверсии сигнала операционным усилителем. Некоторые микросхемы ЦАП предусматривают возможность работы в биполярном режиме, при котором выходное напряжение изменяется не от нуля до U_REF, а от – U_REF до + U_REF. При этом выходной сигнал ЦАП U _ВЫХ умножается на 2 и сдвигается на величину U_REF. Связь между входным кодом N и выходным напряжением U _ВЫХ будет следующей:

U _ВЫХ= U_REF (1– N 2^{1– n} ).

Такое биполярное преобразование при возможности смены знака опорного напряжения называется также четырехквадрантным умножением (то есть и опорное, и выходное напряжения могут быть в данном случае как положительными, так и отрицательными).

Микросхемы ЦАП различаются количеством разрядов (от 8 до 24), величиной задержки преобразования (от единиц наносекунд до единиц микросекунд), допустимой величиной опорного напряжения (обычно – единицы вольт), величинами погрешностей преобразования и другими параметрами, а также технологией изготовления и особенностями внутренней структуры, что нередко накладывает ограничения на их использование. Поэтому выбирать микросхему ЦАП для конкретного применения необходимо с использованием подробной справочной информации, предоставляемой фирмами-изготовителями.

Основное применение микросхем ЦАП состоит в получении аналогового сигнала из последовательности цифровых кодов (рис. 7.4). Как правило, коды подаются на входы ЦАП через параллельный регистр, что позволяет обеспечить одновременность изменения всех разрядов входного кода ЦАП. При неодновременном изменении разрядов входного кода на выходе ЦАП появляются большие короткие импульсы напряжения, уровни которых не соответствуют ни одному из кодов.

Рис. 7.4. Преобразование последовательности кодов в выходное напряжение

Однако, даже при одновременном изменении всех разрядов входного кода ЦАП, уровень напряжения, соответствующий поданному коду, устанавливается не сразу, а за время установления ЦАП t _уст, что связано с неидеальностью внутренних элементов ЦАП. Выходной ток ЦАП, как правило, устанавливается значительно быстрее выходного напряжения, так как он не зависит от инерционности операционного усилителя. Понятно, что условие правильной работы ЦАП состоит в том, чтобы длительность сохранения входного кода была больше, чем время установления ЦАП t _уст, иначе выходной сигнал не успеет принять значение, соответствующее входному коду.

Если подавать коды на вход ЦАП редко, то приведенная на рис. 7.4 схема может использоваться, например, в управляемом источнике питания, выходное напряжение которого задается входным кодом. Правда, при этом необходимо еще обеспечить большой выходной ток источника питания, применив внешний усилитель тока.

Если же подавать коды на вход ЦАП с высокой частотой, то можно получить генератор (он же синтезатор) аналоговых сигналов произвольной формы. В этом случае коды, поступающие на ЦАП, называют кодами выборок (то есть мгновенных значений) генерируемого аналогового сигнала. В случае, когда нужно формировать аналоговые сигналы произвольной формы (синусоидальные, колоколообразные, шумовые, треугольные, импульсные и т.д.), в качестве источника кодов, поступающих на ЦАП, необходимо использовать память, работающую в режиме чтения (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Генерация сигналов произвольной формы

Если память постоянная, то набор форм генерируемых сигналов задается раз и навсегда. Если же память оперативная, то строится однонаправленный информационный буфер с периодическим режимом работы, что позволит записывать в память коды для генерации самых разных сигналов. В обоих случаях входной регистр ЦАП необходим, информация в него записывается стробом чтения из памяти.

Как и в предыдущем случае, выходной сигнал ЦАП будет состоять из ступенек, высота которых кратна 2^{- n} U_REF. Амплитуда выходного сигнала не превышает U_REF. Если адреса памяти перебираются счетчиком, то период выходного аналогового сигнала равен 2 ^mT, где T – период тактового сигнала чтения из памяти "–Чт.", а m – количество адресных разрядов памяти.

Если вычисляют коды выборок для генерации какого-то периодического сигнала, то необходимо его период разделить на 2 m частей и вычислить соответствующие 2 ^m значений этого сигнала U_i. Затем надо пересчитать значения сигнала в коды по формуле N_i =2 ⁿU_i / A, где A – амплитуда сигнала, и взять ближайшее целое значение кода. Нулевое значение сигнала даст при этом нулевой код 000…000, максимальное значение сигнала (равное амплитуде А) даст максимальный код 111…111. В результате подачи этих кодов на ЦАП с периодом Т будет генерироваться аналоговый сигнал требуемой формы с амплитудой, равной U_REF, и с периодом T _ВЫХ=2 ^mТ. Пример такого вычисления проиллюстрирован рис. 7.6.

Рис. 7.6. Вычисление кодов выборок периодического сигнала

Преобразование цифровых кодов в аналоговый сигнал – это не единственное применение микросхем ЦАП. Они могут также использоваться для управляемой обработки аналоговых сигналов, например, для усиления и ослабления аналоговых сигналов в заданное число раз. Для этого лучше всего подходят умножающие ЦАП, которые допускают изменение уровня опорного напряжения в широких пределах, в том числе и с изменением его знака. Таких микросхем ЦАП выпускается сейчас достаточно много, с различным быстродействием и с различным количеством разрядов входного кода.

Рис. 7.7. Аттенюатор аналогового сигнала на ЦАП

Самая простейшая схема – это цифровой аттенюатор (ослабитель) аналогового сигнала (рис. 7.7), применяемый часто для регулировки амплитуды выходного сигнала генератора на основе ЦАП. Схема практически ничем не отличается от схемы на рис. 7.4. Но два важных отличия все же имеются: вместо постоянного опорного напряжения подается переменный аналоговый сигнал, а ЦАП должен быть обязательно умножающим. Выходной сигнал связан со входным по простой формуле

U _ВЫХ= – U _ВХ• N 2^{- n} ,

то есть выходной сигнал пропорционален входному (с инверсией), а коэффициент пропорциональности определяется входным цифровым кодом N. Коэффициент пропорциональности изменяется в данном случае от нуля и почти до единицы с шагом, равным 2^{- n} .

Входной регистр ЦАП в данном случае также необходим, поскольку при неодновременном переключении разрядов входного кода на выходной сигнал ЦАП могут накладываться короткие импульсы значительной амплитуды. Требования к быстродействию ЦАП (к величине его времени установления) в данном включении не слишком высоки, так как амплитуду выходного сигнала обычно требуется менять нечасто. А частота входного аналогового сигнала может быть довольно большой, она никак не связана с временем установления ЦАП.

Существует также схема включения ЦАП, которую можно использовать как управляемый усилитель аналогового сигнала с коэффициентом усиления, задаваемым входным кодом N (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Управляемый усилитель входного сигнала

Выходной ток ЦАП равен величине U _ВХ/ R _ОС, а так как в качестве опорного напряжения используется выходное напряжение, то получается, что выходное напряжение связано со входным по формуле

U _ВЫХ=– U _ВХ N 2^{- n} / N,

то есть коэффициент пропорциональности между выходным и входным напряжениями обратно пропорционален коду N. Код N меняется в этом случае от 1 до (2 ^{n –1}), что соответствует коэффициенту усиления от единицы до 2 ⁿ. При 10-разрядном ЦАП коэффициент усиления схемы может достигать 1024. Скорость переключения ЦАП не очень важна, так как коэффициент усиления обычно не требуется переключать слишком часто. На схеме для простоты не показан входной регистр ЦАП, который опять же необходим, чтобы обеспечить одновременность переключения всех разрядов входного кода.

Используя последовательное включение схем рис. 7.7 и рис. 7.8, можно обеспечить приведение к стандартному уровню входного напряжения, изменяемого в очень широких пределах (рис. 7.9). Такая задача часто встречается в аналого-цифровых системах. Коэффициент передачи всей схемы будет равен отношению входных кодов обоих ЦАП N / M и может быть установлен с высокой точностью как в диапазоне от 0 до 1 (аттенюатор), так и в диапазоне от 1 до 2 ⁿ (усилитель). На схеме не показаны входные регистры обоих ЦАП, но они также нужны.

Рис. 7.9. Последовательное включение аттенюатора и усилителя

Рис. 7.10. Схема управляемого сдвига аналогового сигнала

Схема сдвига (рис. 7.10) аналогового сигнала на величину, задаваемую входным цифровым кодом включает в себя преобразователь цифрового кода в выходное напряжение и аналоговый сумматор на операционном усилителе. Сдвиг представляет собой сложение аналогового сигнала с постоянным напряжением. Величина напряжения сдвига входного сигнала равна U_REF 2 ^-nN. Поскольку применяются два инвертирующих операционных усилителя, инверсии входного сигнала на выходе не будет. Если нужен как положительный, так и отрицательный сдвиг, то необходимо применять ЦАП с биполярным выходным сигналом.

Дата добавления: 2014-12-16