Что такое ЦАП

June 27, 2010 by admin Комментировать »

Начнем мы с ко|ща, то есть с цифроаналоговых преобразователей —> почему, вы увидите далее. Будем считать, что на входе мы имеем числа в двоичной форме— неважно, результат оцифровки какого-то реального сигнала, или синтезированный код. Нам его нужно преобразовать в аналоговый уровень напряжения в соответствии с выбранным масштабом.

Самый простой ЦАП — десятичный или шестнадцатеричный дешифратор-распределитель, подобный 561ИД1. Если на него подать четырехразрядный код, то на выходе мы получим логическую единицу для каждого значения кода на отдельном выводе. Присоединив к выходам такого дешифратора ли­нейку светодиодов, получаем полосковый (шкальный) индикатор, который с разрешением в 10 или 16 ступеней на весь диапазон будет показывать уро­вень некоей величины. Причем очень часто для практики такого относитель­но грубого индикатора, заменяющего стрелочные приборы, вполне достаточ­но. Выпускаются специальные микросхемы для управления такими дискретными шкальными индикаторами, которые позволяют показывать зна­ч^ние не в виде отдельной точки или полоски, а в виде светящегося столбика. Есть и микросхемы, которые могут управлять не дискретными, а линейными вакуумными индикаторами. Есть даже микросхема К1003ПП1 (аналог УАА180), которая преобразует аналоговую величину (напряжение) сразу в управляющий сигнал для шкального индикатора. Довольно эффектная кон­струкция может получиться, если в схеме термометра по рис. 13.3 или 13.4 заменить показывающую головку на такую микросхему и шкальный индика­тор — как бы полноценная имитация термометра традиционного!

У такого примитивного ЦАП есть два недостатка — во-первых, повысить его разрешение свыше 16—20 градаций нереально, так как выходов тогда полу­чится чересчур много. Но главное, он предназначен для узкой задачи визуа­лизации цифровой величины и за пределами этой области беспомощен. Куда более широкое применение имел бы преобразователь, осуществляющий функцию по рис. 17.2, то есть выдающий на выходе аналоговое напряжение, пропорциональное коду на входе.

«Тупой» метод получения такого напряжения состоял бы в следующей мо­дификации методе с дешифратором-распределителем типа 561ИД1. Для это­го надо выстроить делитель из цепочки одинаковых резисторов, подключить его к источнику опорного напряжения и коммутирова1ть отводы этого дели­теля ключами, управляемыми от дешифратора-распределителя. Для двух-трехразрядного кода можно использовать описанные в главе 15 мультиплек­соры типа 561КП1 и 561КП2. Но для большего количества разрядов такой ЦАП с непосредственным преобразованием превращается в совершенно чу­довищную конструкцию. Для восьмиразрядного кода потребовалось бы 256 резисторов (строго одинаковых!), столько же ключей и дешифратор с таким же количеством выходов, а ведь восьмиразрядный код — довольно грубая «линейка», ее разрешающая способность не превышает четверти процента. Поэтому на практике такой метод употребляют для построения АЦП, а не ЦАП (потому что, несмотря на сложность, он обладает одним уникальным свойством, см. далее), а здесь мы даже не будем рисовать такую схему.

Рассмотрим один из самых распространенных методов, который позволяет осуществлять преобразование код-напряжение без использования подобных монструозных конструкций. На рис. 17.3, а показан вариант реализации ЦАП на основе ОУ с коммутируемыми резисторами в цепи обратной связи. В ка­честве коммутирующих ключей можно применить, например, малогабарит­ные электронные реле серии 293, то есть того же типа, что мы применяли в конструкции термостата по рис. 12.9, или специализированные ключи из се­рии 590. Однако для осуществления переключающего контакта потребова­лось бы ставить по два таких ключа на каждый разряд, потому в серии 561 предусмотрена специальная микросхема 561КТЗ (CD4066), которая содержит четыре одинаковых ключа, работающие именно так, как показано на данной схеме.

Ключи эти двунаправленные, но их выводы работают по-разному. Тот вывод, который обозначается OUT/IN (в отечественном варианте обычно просто «Выход»), в одном состоянии коммутируется с другим входом/выходом, в другом просто отключен, как обычно. А другой вывод, обозначаемый IN/OUT (в отечественном варианте просто «Вход»), в одном состоянии под­ключается к первому входу, а вот при разрыве ключа не «повисает в возду­хе», как первый, а заземляется. Таким образом, если подать на вход управле­ния ключом в составе 561КТЗ сигнал логической единицы, то вывод IN/OUT соответствующим образом подключенного ключа коммутируется на вход OUT/IN, а если сигнал управления равен логическому нулю, то вывод IN/OUT замыкается на «землю», как нам и нужно.

Заметки на полях

Отметим, что есть еще микросхема 176КТ1 (CD4016A, в 561-й серии ей анало­га нет, но есть импортная версия CD4016B с питанием до 20 В), с которой 561КТЗ часто путают: у нее ключи самые обычные двусторонние, без заземле­ния. И, несмотря на то, что в классическом справочнике [21] эти микросхемы описаны исчерпывающим образом, в сетевых самодеятельных справочниках по поводу 561 КТЗ нередко приводятся ошибочные сведения. Самим строить такие (ДАП, конечно, вряд ли придется, но на всякий случай следует учесть, что сопротивление ключа 561 КТЗ, как и более современных модификаций (1561 КТЗ или CD4066B), довольно велико, порядка сотни ом, что может сказы­ваться на точности. Хотя для практических целей в ряде схем (но не в рас­сматриваемой!) важнее не абсолютное значение сопротивления, а разница в этом параметре между ключами, которая, если верить справочникам, не пре­вышает 5 Ом.

Рассмотрим, наконец, как же работает такая схема. Для лучшего уяснения принципов я нарисовал всего лишь двухразрядный вариант. Два разряда — это четыре градации, то есть выходное напряжение ОУ должно принимать 4 значения с равными промежутками, в данном случае эти напряжения равны О, а также Vi, 14 и от опорного напряжения Uon- Как это происходит?

Рассмотрим сначала схему в исходном состоянии, когда на входах управле­ния ключами код имеет значения «00». Так как оба нижних по схеме рези­стора 2R в исходном состоянии присоединены к «земле», то есть включены параллельно, то их суммарное сопротивление равно R.

clip_image002

б

б—

Рис. 17.3. Схемы, применяемые при поспгроении ЦАП: а —двухразрядный ЦАП с отрицательным выходом; цепочка R2R произвольной длины; в — ЦАП с положительным выходом

Тогда верхний по схеме резистор R и эти два резистора образуют делитель, напряжение на котором равно ровно половине от Ц,п. Параллельный делите­лю резистор 2R в делении напряжения не участвует. Ключи разомкнуты, це­почка резисторов отсоединена от входа ОУ, и на его выходе будет напряже­ние, равное 0.

Пусть теперь код примет значение «01». В этом случае резистор с номиналом 2R младшего разряда (нижнего по схеме) переключается ко входу усилителя. Для самой цепочки резисторов R—2R «все равно»,.к «земле» присоединен этот резистор или ко входу, потому что потенциал входа ОУ равен тому же потенциалу «земли». Таким образом, ко входу ОУ через сопротивление с но­миналом 2R потечет ток, величина которого будет равна величине напряже­ния на его входе (Ц,п/2, как мы выяснили), деленной на величину этого рези­стора (2R). Итого значение тока будет UJAR, и ток этот создаст на резисторе обратной связи ОУ, сопротивление которого равно R, падение напряжения, равное f/on/4. Можно считать и по-другому — рассматривать инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления 0,5, что определяется отношением со­противлений R/2R, и напряжением на входе UoJ2, Итого на выходе всей схе­мы будет напряжение UoJ^ (но с обратным знаком, так как усилитель инвер-тируюший).

Пусть теперь код принимает значение «10». Тогда веб еще проще — ко входу ОУ подключается напряжение f/on через верхний резистор 2R. Коэффициент усиления тот же самый (0,5), так что на выходе будет напряжение UoJ2. Са­мый сложный случай— когда код принимает значение «11», и подключают­ся оба резистора. В этом случае ОУ надо рассматривать, как аналоговый сумматор (см. главу 12, рис. \2.5,а). Напряжение на выходе будет опреде­ляться суммой токов через резисторы 2R, умноженной на величину сопро­тивления обратной связи R, то есть будет равно {UoJ2R + UoJ^R, или про­сто ЗЦ,п/4.

Я так подробно рассмотрел этот пример, чтобы наглядно продемонстрирб-вать свойства цепочки R—2R. Способ ее построения с любым количеством звеньев показан на рис. 17.3, б. Крайние резисторы 2R включены параллель­но и в сумме дают сопротивление Л, поэтому следующее звено оказывается состоящим из тех же номиналов по 2/? и в сумме тоже даст R и так далее. Ка­кой бы длины цепочку не сделать, она будет делить входное напряжение в двоичном соотношении: на самом правом по схеме конце цепочки будет на­пряжение f/on, на следующем отводе f/on/2, на следующем UJA и так далее.

Поэтому можно всего с помощью двух типономиналов резисторов, отли­чающихся ровно в два раза, строить ЦАП в принципе любой разрядности.

Так, восьмиразрядный ЦАП будет содержать 16 резисторов и 8 ключей (если с переключением, как в 561 КТЗ), не считая резистора обратной связи, кото­рый у нас для наглядности был равен также R, но может быть любого удоб­ного номинала. В интегральных ЦАП часто этот резистор вообще не уста­навливают заранее, а выносят соответствующие выводы наружу, так что можно легко получать любой масштаб напряжения по выходу. Например, если в нашей схеме сделать этот резистор равным 1,33/?, то на выходе мы получим напряжения, равные Uon, 211^2, UqJ2 и 0.

Правда, неудобство в такой простейшей схеме заключается в том, что выход­ные напряжения будут с обратным знаком, но эта проблема легко решается. На рис. 17.3, в показан простейший вариант ЦАП с «нормальным» положи­тельным выходом. Проанализировать работу этой схемы я предоставляю чи­тателю самостоятельно, в принципе она даже проще, чем инвертирующий вариант. Недостатком этого варианта по сравнению с инвертирующим будет то, что коэффициент усиления не регулируется, и масштаб будет определять­ся только величиной Ц,п. Но и этот недостаток легко исправить небольшим усложнением схемы. Такие ЦАП называют еще перемножающими.

Заметки на полях

я не буду рассматривать серийные интегральные схемы ЦАП (например, 572ПА1), основанные на этом принципе, потому что в целом они работают так же, а ЦАП сами по себе, без использования в составе АЦП, требуются нечас­то. Тем не менее, скажем несколько слов о, проблемах, связанных с метроло­гией. Ясно, что получить точные значения резисторов при изготовлении мик­росхемы подобного ЦАП непросто, поэтому на практике абсолютные величины R могут иметь довольно большой разброс. Между собой номиналы их тща­тельно согласовывают с помощью лазерной подгонки. Собственное сопротив­ление ключей также может оказывать большое влияние на работу схемы, осо­бенно в старших разрядах, где токи больше, чем в младших. В интегральном исполнении даже делают эти ключи разными — в старших разрядах ставят более мощные с меньшим сопротивлением. А если попытаться сделать само­дельный ЦАП на основе упомянутых ранее 516КГЗ, то величина R должна со­ставлять десятки килоом, не менее, иначе ключи начнут вносить слишком большую погрешность.

Еще один момент связан с получением стабильного опорного напряжения, так как это непосредственно сказывается на точности преобразования, при­чем абсолютно для всех АЦП и ЦАП, как мы увидим далее. В настоящее время успехи электроники позволили почти забыть про эту проблему — все крупные производители выпускают источники опорного напряжения, позво­ляющие достигать стабильности порядка 16 разрядов (то есть 65 536 града­ций сигнала). К тому же всегда можно исхитриться построить схему так, что­бы измерения стали относительными.

Быстродействие ЦАП разобранного типа в основном определяется быстродей­ствием ключей и типом применяемой логики, и в случае КМОП-ключей не слишком высокое — примерно такое же, как у обычных КМОП-элементов.

Большинство интегральных ЦАП построено с использованием описанного принципа суммирования взвешенных токов или напряжений. Другой класс цифроаналоговых преобразователей составляют интегрирующие ЦАП, кото­рые используются для преобразования величин, меняющихся во времени. Эти ЦАП в идеале позволяют сразу получить действительно аналоговый, не­прерывный сигнал без признаков ступенек. В главе 22 мы рассмотрим один из широко распространенных методов такого преобразования, использую­щихся для воспроизведения цифрового звука— метод широтно-импульсной модуляции.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты