- изучение состава и алгоритмов работы нескольких разновидностей ЦАП;
- детальное изучение и работа с ЦАП типа 572 ПА1;
- сборка электрической схемы;
- получение временных диаграмм, поясняющих алгоритм работы ЦАП;
- получение передаточной характеристики ЦАП в координатах двоичный цифровой код- аналог.
ЦАП представляет собой устройство, преобразующее информацию, выводимую с цифровых систем из цифрового вида в аналоговые уровни или другие параметры аналоговых сигналов. ЦАП сопрягает цифровую систему с датчиками, измерительными приборами, управляющими или исполнительными устройствами сложных многопараметровых объектов управления или систем сбора и обработки информации.
К настоящему времени разработаны и широко применяются несколько разновидностей ЦАП, но в основе работы каждого из них заложен принцип суммирования токов с разрядных генераторов тока с весовыми коэффициентами, пропорциональными цифровому коду, поступающему на вход ЦАП. Рассмотрим один из базовых вариантов структурной схемы ЦАП, приведенный на рисунке 7.1 и поясняющй принцип суммирования токов.
Для построения схемы предусмотрены источник опорного напряжения (ИОН), электронные ключи Кл1-Kлn, управляемые по сигналам цифрового кода А1-Аn, цепочка резисторов с двоично - взвешенными номиналами (R, 2R, 4R,..,2N-1R) и суммирующий усилитель на основе операционного усилителя (ОУ). Допустим, что пришел цифровой двоичный код, в котором в старшем разряде "1", а в остальных разрядах "0", т.е. код 100....000. Тогда ключ Клn будет в замкнутом состоянии и на вход усилителя будет поступать ток:
IN=(Uоп /R) ,
где: Uоп - опорное напряжение ИОНа.
На выходе суммирующего усилителя появится напряжение:
UN = IN(R/2) = (Uоп /R) (R/2) = Uоп / 2
Представим теперь, что появился код, в котором все разряды кода равны "0", кроме сигнала А1. В этом случае коду 000...001 будет соответствовать ток и напряжение:
I 1= Uоп /2N-1R ,
U1= I1 (R/2) = (Uоп /2N-1R) (R/2) = Uоп / 2N,
т.е. напряжение на выходе усилителя будет равно весу младшего значащего разряда (МЗР) ЦАП.
Рисунок 7.1 – Схема, поясняющая принцип работы ЦАП с цепочкой резисторов с двоично - взвешанными номиналами
Следовательно, в зависимости от кодовой комбинации на входе ЦАП замыкаются соответствующие ключи и на вход суммирующего усилителя поступают соответствующие разрядные токи, вызывающие формирование на выходе усилителя (выходе ЦАП) напряжения, пропорционального входному коду.
Существенным недостатком ЦАП с двоично - взвешенными номиналами резисторов является необходимость получения широкого диапазона тщательно согласованных номиналов резисторов от R до 2N-1R , что усложняет технологию производства таких ЦАП в микроэлектронном исполнении.
Значительное распространение получили ЦАП, построенные с последовательно-параллельной цепочкой резисторов R-2R (рисунок 7.2).
Рисунок 7.2 – Схема, поясняющая принцип работы ЦАП с цепочкой резисторов R-2R
Замечательным свойством цепочки R-2R является то, что в любом из узлов цепочки выходное сопротивление равно R. Например, в узле (1) выходное сопротивление определяется параллельным сопротивлением 2х резисторов с номиналами 2R, т.е. равно R. В узле (2) выходное сопротивление также будет равно значению R, т.к.
[ (2R||2R) + R] ||2R = R
Это свойство цепочки R-2R позволяет задавать разрядные токи на входе суммирующего усилителя в масштабе, пропорциональном значению R и значению цифрового кода. Действительно, если использовать электронные ключи КлN на два положения, которые позволяют подключать резисторы 2R каждого узла (разряда) или к общей шине или к опорному напряжению Uоп, то в случае кода 100...000, когда включен ключ КлN старшего разряда, а остальные ключи находятся в положении "общая шина", ток на входе будет равен:
IN= U оп/2R,
UN = (Uоп /2R) R = Uоп / 2.
Для кода 010...000 будет работать только ключ Кл(N-1) и задавать ток:
IN-1= Uоп / 4R,
UN--1 = (Uоп / 4R) R = Uоп /4.
Младший значащий разряд определяется кодом 000...001, который задает соответствующие ток и напряжение:
I 1= Uоп / 2N-1R,
U1= Uоп / 2N.
Таким образом, для любой из 2Nкодовых комбинаций можно найти входной ток суммирующего усилителя и выходное напряжение по формуле:
IВХ= А Uоп /2NR,
UВЫХ= А Uоп /2N,
где: А - входной код ЦАП.
Преимуществом применения в ЦАП цепочки R-2R можно отметить легко поддающуюся точную подгонку номиналов резисторов, т.к. номиналы отличаются только в 2 раза. Однако, в ЦАП, построенных с применением цепочки R-2R, требуется в два раза больше резисторов и необходимы ключи на два положения, что также усложняет технологию производства этих ЦАП.
К основным параметрам ЦАП относятся:
1) разрешающая способность - число уровней квантования выходного сигнала (число двоичных разрядов входного кода).
2) интегральная нелинейность - отражает степень отклонения характеристики преобразования от идеальной характеристики (в частности от прямой линии).
3) время установления - время, требуемое для установления выходного сигнала ЦАП в пределах ± 1/2 МЗР для заданного изменения входного кода, например, при его изменении от нуля до полного значения шкалы.
В качестве примера рассмотрим структурную схему промышленного ЦАП типа К572ПА1, приведенного на рисунке 7.3.
Десятиразрядный ЦАП К572ПА1 содержит внешний источник опорного напряжения ИОН, ряд R-2R резисторов, двунаправленные ключи на МОП-транзисторах n-типа VT1-VT2, усилители - инверторы УИ для приема кодовых сигналов и выработки управляющих напряжений на ключи Кл1-Кл10, внешний суммирующий операционный усилитель ОУ. Принцип действия описываемого ЦАП аналогичен принципу действия ЦАП, приведенного на рисунке 7.2.
Рисунок 7.3 – Функциональная электрическая схема ЦАП типа К572ПА1 (А-Г)
Условное – графическое обозначение ЦАП в принципиальных электрических схемах представлено на рисунке 7.4.
Рисунок 7.4 – Условно – графическое обозначение ЦАП
Назначение выводов в обозначении:
- D0-D9 - входы для подачи цифрового кода;
- UП - напряжение питания;
- UОП - опорное напряжение;
- ОV - корпус (общая шина);
- Rос - вход подключения сигнала обратной связи;
- IВЫХ - выходной ток ЦАП;
- IВЫХ - общая шина выходного тока.
Основные параметры ЦАП 572ПА1 следующие:
- цена (вес) МЗР - 10,24 В/ 210=10 мВ;
- интегральная нелинейность характеристики - ±0,1% от полной шкалы;
- время установления выходного тока - не более 5 мкс.