9.16. Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП)
Мета полягає в тому, щоб перетворити кількість, визначена у вигляді двійкового числа (або многоразрядного двоічнодесятічного числа), в напругу або струм, пропорційний значенню цифрового входу. Розглянемо декілька поширених способів перетворення.
Включення масштабуючих резисторів в підсумовує з'єднання.
Як ви вже бачили в розд. 4.09, підключаючи кілька резисторів до суммирующему входу операційного підсилювача, на виході можна отримати напруга, пропорційне зваженої сумі вхідних напруг (рис. 9.45). Напруга на виході цієї схеми змінюється від 0 до -10 В, причому максимальний вихід відповідає вхідному числу 64. Дійсно, максимальне вхідне число завжди дорівнює т. Е. Все розряди знаходяться в «1». В даному випадку максимальне вхідне число одно 63, а відповідне вихідна напруга дорівнює
Змінюючи резистор зворотного зв'язку, можна домогтися, щоб вихід змінювався від 0 до - 6,3 В (т. Е. Зробити так, щоб вихід в вольтах був би чисельно дорівнює -1/10 вхідного числа), можна додати також інвертується підсилювач або постійне зміщення на суммирующий вхід, щоб отримати позитивний вихід. Змінюючи значення вхідних резисторів, можна відповідним чином перетворити багаторозрядних двійковій-десятковий вхідний код, або будь-який інший зважений код. Вхідні напруги повинні відповідати точним стандартам; чим менше значення вхідного резистора, тим більшу точність він повинен мати. Зрозуміло, опір перемикання повинно бути менше ніж величини самого маленького резистора; це важливе зауваження, оскільки перемикання у всіх реальних схемах виконується за допомогою транзисторів або ключів на МОП-транзисторах. Цей спосіб перетворення використовується тільки в швидких перетворювачах низькою точності.
Вправа 9.2. Спроектуйте розрядний двійковій-десятковий ЦАП. Використовуйте входи з перепадом від 0 до, вихід при цьому повинен змінюватися від 0 до 9,9 В.
Ланцюгова R-2R-схема.
Спосіб масштабуючих резисторів стає незручним, якщо перетворенню піддаються багато розрядів. Наприклад, для -розрядним перетворювача потрібно співвідношення величин резисторів з відповідною точністю самого маленького резистора. Ланцюгова, показана на рис. 9.46, призводить до витонченого вирішення цього завдання. Тут потрібні тільки 2 значення резисторів, за якими формує струми з двійковим масштабуванням. Резистори, звичайно, повинні бути точно підібрані, хоча дійсні їх величини не такі істотні. Наведена схема формує вихідну напругу від 0 до -10 В з повним виходом, відповідним числу 16 (знову ж максимальне вхідне число дорівнює 15 при вихідній напрузі Для двійковій-десяткового перетворення використовується кілька модифікацій -схеми.
Мал. 9.46. Схема сходового типу.
Вправа 9.3. Покажіть, що наведена вище. виконує функцію перетворення правильно.
Джерела масштабуючих струмів.
У схемі згаданого вище операційний підсилювач перетворює двійковій-масштабовані струми в вихідна напруга. У багатьох випадках вихідна напруга є найбільш зручним видом сигналу, але операційні підсилювачі, як правило, складають найбільш повільну частину перетворювача. Якщо ви використовуєте перетворювач з струмовим виходом, ви досягнете кращих показників за більш низьку ціну.
Мал. 9.47 ілюструє загальну ідею.
Токи можна сформувати за допомогою матриці транзисторних джерел струму з масштабується еміттерними резисторами, хоча проектувальники ІС воліють використовувати ланцюгову з емітерний резисторів. У більшості перетворювачів цього типу джерела струму включені весь час, а їх вихідний струм підключається до вихідного контакту або до землі під керуванням цифрового вхідного коду. У ЦАП з струмовим виходом слід брати до уваги обмеження за розмахом виходу; він може досягати всього 0,5 В, хоча типове його значення становить кілька вольт.
Формування вихідного сигналу напруги.
Існує кілька способів формування вихідної напруги для струмових ЦАП. Деякі з них показані на рис. 9.48. Якщо ємність навантаження невелика, а необхідний перепад напруги досить великий, то прекрасно працює схема зі звичайним резистором, підключеним до землі. При типовому повномасштабному вихідному струмі навантажувальний резистор 100 Ом забезпечує повномасштабне вихідна напруга з вихідним опором 100 Ом. Якщо сумарна ємність виходу ЦАП і ємність навантаження не перевищує, то час установки в попередньому прикладі дорівнюватиме 100 ні, припускаючи, що швидкодія ЦАП трохи вище.
Мал. 9.48. Формування напруги за струмовим виходу ЦАП.
Аналізуючи вплив постійної -ланцюжок, не забувайте, що вихідна напруга встановиться з точністю до 1/2 МЗР за час, що становить кілька постійних часу. Наприклад, час встановлення виходу з точністю 1/2048 для -розрядним перетворювача складає 7,6 постійних часу -ланцюжок.
Для того щоб сформувати великий перепад напруги або узгодити вихід з низкоомной навантаженням або з великою навантажувальної ємністю, можна використовувати показану на малюнку схему з резистивної зворотним зв'язком (підсилювач струму з виходом по напрузі). Конденсатор, шунтувальний резистор зворотного зв'язку, необхідний для забезпечення стійкості, оскільки вихідна ємність ЦАП в поєднанні з резистором зворотного зв'язку створює запізнюється фазовий зсув; це, на жаль, знижує швидкодію підсилювача. Схема має одну цікавої особливістю: для підтримки високої швидкості навіть недорогого ЦАП може знадобитися відносно дорогий швидкодіючий (з малим часом установки) операційний підсилювач. На практиці остання схема забезпечує найкращі характеристики, оскільки не вимагає компенсуючого конденсатора. Намагайтеся уникати похибок напруги зсуву - операційний підсилювач підсилює вхідний напруга зсуву в 100 разів.
Комерційно доступні модулі ЦАП мають точність від 6 до 18 біт і часом встановлення від 22 не до (ЦАП з найвищою точністю). Ціни на ЦАП коливаються від кількох доларів до кількох сотень доларів. Типовим широко поширеним блоком є розрядний перетворювач з клямкою і внутрішнім опорним джерелом і з часом встановлення для виходу за напругою, рівним. Ціна його становить близько 10 дол.