Цифроаналоговые преобразователи

Основным видом ЦАП, используемым для формирования аналоговых сигналов, пропорциональных цифровому коду, являются преобразователи на основе прецизионных резистивных делителей с суммированием токов. Наиболее простым ЦАП с параллельным кодом и матрицей постоянных импедансов (R –2 R) является микросхема AD7533. Использование матрицы из постоянно повторяющихся резисторов существенно упрощает их изготовление и юстировку. Микросхема предельно проста и представляет собой преобразователь 10-разрядного параллельного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе. Она состоит из резистивной матрицы, переключателей, управляемых цифровыми сигналами, и сопротивления обратной связи, необходимого при преобразовании выходного тока в напряжение.

Рис 7.5

Поскольку для точного преобразования ток–напряжение потребуется резистор обратной связи той же точности, что и резистивная матрица, необходимо использование внутреннего резистора. Структура ЦАП представлена на рис. 7.5. Цифровые входы B9…B0 определяют ток, протекающий на выходе микросхемы, причем B9 является старшим битом управляющего кода, а B0 – младшим. Выходной ток пропорционален цифровому коду и опорному напряжению REF. Микросхема может работать в режиме умножения цифрового кода на опорное напряжение в двухполярном режиме. Схема умножителя на преобразователе AD7533 представлена на рис. 7.6. В приведенной схеме кроме ЦАП используются 2 операционных усилителя ОР297, выполненные в одном корпусе.

Рис. 7.6

Первый усилитель служит для преобразования выходного тока ЦАП в напряжение полярности, обратной опорному. Напряжение на его выходе U _a пропорционально произведению цифрового кода D и опорного напряжения U _ref. Пределы изменения кода D от 0 до 1023:

U _a = – U _ref D /1024.

Если на вход REF микросхемы ЦАП допускается подача напряжения любой полярности, то вместо опорного напряжения можно использовать аналоговый сигнал. В этом случае ЦАП выполняет роль аттенюатора и амплитуда аналогового сигнала на выходе ЦАП будет изменяться пропорционально цифровому коду. Сигнал U _a может изменять свою полярность только при изменении U _ref, т. е. умножение двухквадрантное. Если требуется переместить нулевое напряжение на выходе ЦАП в центр шкалы (четырехквадрантное умножение), то необходим смещающий усилитель. Напряжение на его выходе U _out должно быть смещено на половину шкалы:

U _out = – U _ref(D – 512)/512.

Параметры некоторых микросхем для преобразования кода в напряжение приведены в табл. 7.8. Выбор ЦАП проводится в первую очередь по разрядности и питающему напряжению (U), затем по времени установления

Название	Разрядность, бит	U, В	I, мA	T уст, мкс	Опорный источник, В	Оши-бка, LSB	Интер-фейс
Перемножающие ЦАП с выходом по току
AD7524				0.4	Внешний ±25	0.5	P 8
AD7533				0.6	Внешний ±25		P 10
AD7943			2.5	0.6	Внешний ±15	0.5	SPI
AD7945			2.5	0.6	Внешний ±15	0.5	P 12
AD7948			2.5	0.6	Внешний ±15	0.5	P 8
Перемножающие ЦАП с выходом по напряжению
AD7845		±15			Внешний ±25		SPI
ЦАП с двухполярным выходом
AD7224		+15/-5			Внешний 2 – 10		SPI
AD5530		±15			Внешний 2 – 10		SPI
AD7233		±15			Внутренний 5		SPI
AD7243		±15			Внутренний 5		SPI
AD7245		±15			Внутренний 5		P 12
AD7248		±15			Внутренний 5		P 8
AD5531		±15			Внешний 0 – 5		SPI
ЦАП с однополярным выходом
AD5300			0.25				SPI
AD5330			0.25				P 8
AD7391			0.1		Внешний 0 – 5		SPI
AD5310			0.25				SPI
AD5331			0.25				P 10
AD7393			0.1		Внешний 0 – 5		P 10
AD7390			0.1		Внешний 0 – 5		SPI
AD5320			0.25				SPI
AD5341			0.25				P 8

Таблица 7.8

сигнала на выходе (t _уст), типу интерфейса и ошибке преобразования. Ошибка

преобразования обусловлена погрешностями изготовления и шумами ЦАП. Для перемножающих ЦАП с токовым выходом в качестве ошибки приведена интегральная нелинейность, характеризующая наибольшее отклонение выходного сигнала от линии абсолютной точности. У микросхем с выходом по напряжению ошибка, вызванная влиянием смещения внутреннего усилителя, больше нелинейности, поэтому она приведена в таблице как критерий ошибки. Все ошибки приведены в единицах младшего разряда (LSB).

Рис. 7.7

Изменение кодов на входе микросхемы AD7533 приводит к изменениям выходного сигнала. Это не всегда удобно, например если к цифровой магистрали подключены несколько устройств. В этом случае данные не являются только данными ЦАП и для обеспечения нормальной работы приходится устанавливать запоминающий регистр или отводить целый порт микроконтроллера под запоминание данных. Удобней использовать ЦАП с внутренним регистром, напри- Рис. 7.8

мер AD7845. Эта микросхема (рис. 7.7) состоит из 12-разрядного перемножающего ЦАП, запоминающего регистра и операционного усилителя, преобразующего выходной ток ЦАП в напряжение (аналогичного первому усилителю на рис. 7.6). Соединяя Uout и Rf можно обеспечить двухквадрантное умножение без дополнительных элементов.

Несколько микросхем AD7845 можно подключать к одной цифровой шине. Сигналы управления записью данных во внутренний регистр показаны на рис. 7.8. Для записи необходимо подать 0 на вход выбора микросхемы CS, установить на входах регистра В0…В11 требуемые данные и подать 0 на вход записи WR. Данные появятся на выходе регистра-защелки и на входе ЦАП. После этого можно перевести сигнал WR в 1, установить 1 на входе CS и изменить данные для другого потребителя, например другого ЦАП.

С помощью внешнего дополнительного усилителя можно организовать четырехквадрантное умножение, используя схему, аналогичную применяемой для AD7533 (рис. 7.6), а можно включить внешний усилитель как показано на рис. 7.9. Здесь усилитель используется как простой фазоинвертор для изменения полярности опорного напряжения при суммировании сигналов для обеспечения смещения шкалы преобразования.

Рис. 7.9

Напряжение на выходе U _out получается смещенным на половину U _ref. Цифровой код D на входах В0…В11 может изменяться от 0 до 2047:

U _out = U _ref (D – 2048)/2048.

Внутренний усилитель несколько уменьшает быстродействие преобразования и из-за имеющегося смещения ухудшает его точность, поэтому лучшие характеристики получаются при использовании микросхемы с выходом по току и прецизионного специализированного усилителя. В этом случае внешние резисторы, устанавливаемые в схеме, должны быть прецизионными и соответствовать точности преобразования.

Рис. 7.10

Для уменьшения влияния возвратных токов, возникающих в цифровом питании, в микросхеме предусмотрены 2 общих вывода: цифровой и аналоговый. Это позволяет на этапе разводки схемы цифровую и аналоговую

Рис. 7.11

земли выполнить отдельными печатными проводниками с одной точкой соединения на источнике.

При совместной работе ЦАП с микроконтроллерами обычно используют согласованную шину данных. Вывод кода в ЦАП производится байтами. Примером построения 12-разрядного ЦАП с 8-разрядным входом является микросхема AD7248. Ее внутренняя структура представлена на рис. 7.10. Преобразователь состоит из 12-разрядного ЦАП с выходом по напряжению, внутреннего фиксированного источника опорного напряжения, 12-разрядного запоминающего регистра, непосредственно подключенного к ЦАП, и двух вспомогательных регистров для предварительного хранения данных. Микроконтроллер в процессе работы должен сначала последовательно записать данные в промежуточные регистры. Двенадцатиразрядный код разбит на 8 младших и 4 старших бита. После записи информации в промежуточные регистры на их выходах формируется 12-разрядный код, который специальным сигналом LDAC записывается во внутренний регистр, после чего ЦАП формирует выходное напряжение. Для микроконтроллера промежуточные регистры представляются внешними устройствами, имеющими отдельные выборки. Диаграмма записи информации в ЦАП представлена на рис. 7.11.

Рис. 7.12

Запись информации в регистры аналогична записи в AD7845, с той разницей, что приходится делать 2 цикла записи с разными выборками: CSLSB – для восьми младших разрядов, CSMSB – для четырех старших. После записи во вспомогательные регистры сигналом LDAC = 0 данные записываются во внутренний регистр. На рис. 7.12, а представлена типовая схема включения AD7248 в режиме U _out = 0 ± 10 В с использованием внутреннего источника опорного напряжения +5 В. Микросхема AD7245 имеет фиксированное опорное напряжение и, несмотря на то, что сигнал на выходе пропорционален коду и опорному напряжению, не может выполнять операцию перемножения. Шкала преобразования может быть смещена с помощью схемы, показанной на рис. 7.12, б. Выходной сигнал U _out = –5…+5 В.

Рис. 7.13

Рассмотрим принципы работы AD5310 – самого "маленького" ЦАП, выпускаемого в шестивыводном корпусе SOT-23. Его структура представлена на рис. 7.13. С целью сокращения количества выводов в преобразователе применяется последовательный интерфейс SPI и объединены сигналы питания и опорного напряжения.

Микросхема AD5310 относится к низкопотребляющим устройствам, поэтому влияние цифровых узлов на точность опорного напряжения незначительно. В микросхеме опорное напряжение используется не только для формирования сигнального тока ЦАП, но и для питания двух цифровых регистров и выходного буферного усилителя. Поскольку питание микросхемы однополярное, выходной сигнал тоже однополярный и формируется пропорционально коду D = 0 – 1023, U _out = U _ref D /1024. К достоинствам рассматриваемого преобразователя следует отнести наличие буферного усилителя (Rail to Rail), обеспечивающего размах выходного сигнала от 0 до U _ref.

Основу микросхемы составляет 10-разрядный ЦАП, работающий в диапазоне опорных напряжений 2.7…5.5 В. Имеются 8- и 12-разрядные аналоги AD5300 и AD5320 соответственно. Управление внутренним цифроаналоговым преобразователем происходит через параллельный регистр, который получает информацию из регистра сдвига.

Рис. 7.14

Таблица 7.9

Бит	Данные	Бит	Данные	Бит	Данные	Бит	Данные
D15	X	D11	B9	D7	B5	D3	B1
D14	X	D10	B8	D6	B4	D2	B0
D13	P1	D9	B7	D5	B3	D1	X
D12	P0	D8	B6	D4	B2	D0	X

Таблица 7.10 Данные поступают в регистр сдвига

Бит	Режимы работы
Основной	Энергосберегающий
R = 1 кОм	R = 100 кОм	Выкл.
P0
P1

микросхемы по интерфейсу SPI. Они включают в себя код для ЦАП и режим работы микросхемы. Форматы сигналов SPI представлены на рис. 7.14. Установка сигнала SYNC разрешает микросхеме принимать информацию. Далее последовательно передаются 16 информационных бит по линии DIN.

Каждый бит сопровождается перепадом сигнала синхронизации SCLK из 1 в 0. Во время перепада не допускается изменений на линии DIN. Возврат сигнала SCLK из 0 в 1 может производиться не ранее чем через 13 нс. Частота передачи бит составляет 30 МГц при U _ref = 5 В и 20 МГц при U _ref = 3.6 В. В конце процедуры обмена устанавливается сигнал SYNC = 1. По этому сигналу анализируется количество принятых бит и производится перезапись информации из регистра сдвига в параллельный регистр. Если количество принятых бит не равно 16, перезапись не производится. Для повышения помехоустойчивости последовательного канала обмена информацией на всех трех входах установлены триггеры Шмитта с гистерезисом, уменьшающим влияние помех. Информация, записываемая в регистр сдвига, должна быть представлена в Рис. 7.15

виде табл. 7.9. Биты D12, D13 определяют режим работы микросхемы, а биты D2…D11 являются информационными и переписываются в параллельный регистр. У микросхемы 2 режима работы: основной и энергосберегающий. Основной определяется как режим ЦАП (табл. 7.10). Если временно необходимо программным способом перевести микросхему в режим пониженного потребления (0.2 мкА), можно выбрать один из трех вариантов, в зависимости от значения сопротивления нагрузочного резистора. В этих режимах выходной буфер отключается и можно установить R = 1 кОм, R = 100 кОм или работать без резистора. Типовая схема включения цифроаналогового преобразователя AD5310 представлена на рис. 7.15. Применяется источник опорного напряжения ADR292, позволяющий формировать высокостабильное напряжение 4.096 В из входного напряжения 5 В.

Дата добавления: 2014-12-27