ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Под цифроаналоговыми преобразователями (ЦАП) понимают устройства, позволяющие осуществить переход от информации в цифровой форме к информации в аналоговой форме. Эти преобразователи широко используют в системах цифровой обработки данных, в устройствах управления, для вывода информации из ЭВМ и передачи ее на исполнительные устройства и т. п.

В ЦАП входным сигналом является цифровой код в различных системах счисления, а выходным — соответствующее ему значение аналоговой величины в виде напряжения постоянного тока, временного интервала и т. п. В ЦАП, построенных на микросхемах, в качестве входного сигнала чаще всего используют двоичный позиционный код или построенный на его основе десятичный код. Выходным сигналом является напряжение постоянного тока. Подобные ЦАП и будут рассмотрены далее.

Цифроаналоговое преобразование состоит в суммировании эталонных значений напряжения, соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании будут участвовать только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит единица. Структурная схема ЦАП в общем виде показана на рис. 6.1. Для ЦАП выходное напряжение определяется следующим образом:

где Uon — опорное (эталонное) значение напряжения; йь Ь2, ..., Ьп — коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значения 0 или 1.

Основными параметрами ЦАП являются:

1. Разрешающая способность, определяемая количеством двоичных разрядов входного кода и характеризующаяся возможным количеством уровней аналогового сигнала.

Рис. 6.1. Структурная схема ЦАП

2. Точность, определяемая наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от расчетного. Она обычно выражается в виде половины уровня сигнала, соответствующего младшему значащему разряду (МЗР). Суммарная ошибки, вносимая элементами ЦАП, не должна превышать указанную погрешность квантования.

3. Нелинейность, характеризующаяся максимальным отклонением линейно-нарастающего выходного напряжения от прямой линии, соединяющей точки нуля и максимального выходного chi нала (обычно не выше +1/2 значения МЗР).

4. Время преобразования (установления), определяемое интер валом времени от момента подачи цифрового сигнала до момента достижения выходным сигналом установившегося значения.

Как правило, ЦАП содержит резистивную матрицу, с помощью которой формируются выходные сигналы, пропорциональные входному коду; набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов; выходной усилитель и источник опорного стабилизированного напряжения. Кроме того, обычно в схему включают устройство, обеспечивающее согласование входа ЦАП с цифровыми микросхемами.

Рассмотрим принципы построения основных узлов ЦАП.

Резистивная матрица может иметь различную структуру. Один из ее вариантов (с весовыми резисторами) показан на рис. 6.2,а. Здесь каждому разряду соответствует свой разрядный ток I1, I2, ..., 1п. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, сопротивления которых удваиваются при переходе от старшего разряда к младшему. Основной недостаток рассмотренной структуры — широкий диапазон сопротивлений и их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода. Другой вариант резистивной матрицы (с резистивной сеткой R — 2R), получивший широкое распространение, показан на рис. 6.2,6. Здесь используются резисторы только двух номиналов. Формирование тока, соответствующего данному разряду, в этой схеме осуществляется как за счет последовательных, так и параллельных цепей сопротивлений. При переходе от старшего разряда к младшему ток изменяется в два раза (как и в схеме, показанной на рис. 6.2,а). Токовые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить заметных погрешностей в разрядные токи. Ключи для быстродеиствующих ЦАП строятся обычно на биполярных транзисторах и диодах, для преобразователей среднего и низкого бьгтподей-ствия широко применяются ключи на КМДП-транзнсторах характеризующихся малым потреблением энергии.

Рис. 6.2. Резистивные матрицы:

а — с весовыми резисторами; б — с резистивной сеткой R = 2R

Рис. 6.3. Варианты полупроводниковых ключей:

a - на биполярных транзисторах и диодах; б - на КМДП транзисторах

Один из вариантов ключа на биполярных полупроводниковых приборах показан на рис. б.З.а. Если на цифровой вход подан сиг нал 0, транзисторы Tit T2 и диод Д, закрыты и ток выходной шины течет через открытый транзистор Та. При подаче на вход сигнала 1 транзисторы Тг, Т2 и диод Д, открываются, а диод Д2 закрывается и отключает выходную шину. Транзистор T3 все время открыт по этому через резисторы матрицы течет постоянный ток Этим дости гается отсутствие отрицательного влияния на быстродействие по стоянных времени эмиттерных цепей и постоянных времени зависящих от сопротивлений матрицы.

Вариант ключа на КМДП-транзисторах показан на оис 6.3,6 В этой схеме транзисторы Т, — Т3 служат для согласования с микросхемами на входе ЦАП, транзисторы Г4 — Т7 используются для управления ключевыми транзисторами Т8 — Тв, которые подкчючают разрядные токи резистивной матрицы к одной из двух выходных шин. Через транзистор Т3 осуществляется положительная обратная связь для уменьшения времени переключения (до 500 не)

Рис. 6.4. Восьмиразрядный преобразователь двоичного кода в ток 252ПА1

Выходным усилителем обычно служит ОУ, который суммирует разрядные токи. Напряжение на выходе ОУ пропорционально входному коду:

где Roy — сопротивление обратной связи ОУ; N — входной код.

Рассмотренные основные узлы ЦАП выпускаются отечественной промышленностью в виде отдельных микросхем и в комплекте Отдельные резистивные матрицы содержатся в микросхемах К228ПП1, К265ПП1-7 разрядов, К252ПН1 - 10 разрядов К304ИД1, 3, 5-5, 7, 9 разрядов, 301НС1 — 10 разрядов и др.

Рис. 6.5. Восьмиразрядный преобразователь двоичного кода в напряжение

Ключи в виде многоканальных коммутаторов содержатся в микросхемах: К190КТ1 (5 каналов), К190КТ2 (4 канала) 240КШ (1 канал), 240КН2 (3 канала), 240КНЗ (4 канала), К252КТ1 (4 канала), К594КТ1 (4 канала) и др.

В качестве усилителя можно использовать ОУ серий 140, 153, 240, 252 и др. Стабилизированные источники напряжения содержатся в сериях 142, 240, 275 и т. п.

Отечественная промышленность выпускает микросхемы серии К252, которые можно использовать для построения ЦАГГ К252ПА1 К252ПА2, К252ПАЗ, К252ПН1.

Микросхема К252ПА1 — восьмиразрядный преобразователь двоичного кода в ток — содержит резистивную матрицу с весовыми резисторами и ключи на биполярных транзисторах и диодах. Схема преобразователя показана на рис. 6.4. Входной код подается на выводы 2, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12. С выводов 17, 19, 20, 21, 23, 24, 25, 27 снимаются разрядные токи. Их величина составляет от 2 5 (для первого разряда) до 0,019 мА (для восьмого). Входное напряжение не менее 2,4 В. Относительная погрешность не более +0,4 %

Микросхема К252ПА2 подобна микросхеме К252ПА1, но отличается полярностью выходного тока опорного источника напряжения и включением диодов. Для того чтобы на базе указанных микросхем построить преобразователь код — напряжение, на выходе нужно подключить ОУ, как показано на рис. 6.5.

Десятиразрядный преобразователь двоичного кода в ток можно построить на двух микросхемах — К252ПАЗ (рис. 6.6) и К252ПН1 (рис. 6.7). В первую входят резистивная матрица с весовыми резисторами и диодные ключи, во вторую — схемы управления ключами. Функциональная схема ЦАП на базе указанных микросхем приведена на рис. 6.8. Относительная погрешность этого преобразователя не более ±0,1 %.

Рис. 6.6. Резистивная матрица 252ПАЗ

Рассмотренные преобразователи построены по гибридной технологии. В последние годы все большее внимание уделяется ЦАП выполненным на базе полупроводниковой технологии с использованием тонкопленочных резисторов на кристалле. Примером такого преобразователя является десятиразрядный ЦАП — микросхема К572ПА1А, содержащая матрицу резисторов и ключи на КМДП-транзисторах. Принципиальная схема преобразователя показана на рис. 6.9.

В схеме использована матрица с резистивной сеткой R—2R с резисторами двух номиналов R1 — R9, R22=10 кОм±30 % R10 — R21 = 20 кОм±30 %. Параметры преобразователя: Eи п=15 В Uоп = 10,24 В, U'вх>2,4 В, U°Вх<0,8 В. По входам ЦАП согласоаан с ТТЛ микросхемами. Нелинейность не более +0,8 % от полной шкалы, время установления входного тока Tуст — 5 мкс. Имеются разновидности этой микросхемы: К572ПА1Б, К572ПА1В, К572ПА1Г, имеющие соответственно 9, 8 и 7 разрядов.

Рис. 6.7. Схема управления 252ПН1

Схемы преобразователя код — напряжение, выполненные на базе микросхем К572ПА1А, показаны на рис. 6.10. В первом случае (а) выходное напряжение однополярное, во втором (б) — двуполяр-ное. Значения выходного напряжения в рассматриваемых схемах при различных входных кодах показаны в табл. 6.1.

Опорное напряжение в обеих схемах может выбираться разной полярности. Это позволяет использовать схему на рис. 6.10,а как двухкаадрантный преобразователь, а схему на рис. 6.10,6 — как четы рехквадрантный.

Таблица 6.1

Входной код	Схема (рис. 6. 10, а)	Схема (рис. 6.10,6)
1111111111	-Uоп(1-2-10)	-Uоп(1-2-10)
1000000001	-U0п(1/2+2-10)	-Uон (2-l0)
1000000000	— U0П /2	0
0111111111	-Uon (1/2-2-10)	+Uоп(2-10)
0000000001	-Uон (2-l0)	+Uon(l-2-10)
0000000000	0	+Uоп

Рис. 6.8- Десятиразрядный преобразователь двоичного кода в напряжение

Рис. 6.9. Десятиразрядный ЦАП К572ПА1А

Другим примером ЦАП, выполненного на базе полупроводниковой технологии, служит двенадцатиразрядный преобразователь К594ПА1, содержащий резистивную матрицу, биполярные токовые ключи и ОУ. Он имеет меньшее, чем у рассмотренного выше преобразователя время установления Густ = 3,5 мкс.

Перспективы развития ЦАП: уменьшение Густ до десятых долей микросекунд и менее в результате повышения быстродействия ключей и уменьшения времени установки ОУ; повышение точности преобразователя (до 0,05 — 0,003%) за счет улучшения качества резистивных матриц, ключей, стабильности источника опорного напряжения и увеличения разрядности преобразователя (до 14 — 16).

Рис. 6.10. Варианты построения преобразователей двоичного кода в напряжение на базе микросхем К572ПА1А.

а — двухквадрантный преобразователь; б — четырехквадрантный преобразователь

Содержание раздела