5.2. Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговые преобразователи преобразуют полученные в результате обработки информации в ЭВМ управляющие сигналы в цифровом виде в пропорциональное им аналоговое напряжение для использования в системах автоматического управления. Двоичное число а_n-1а_n-1…а₀ на вход преобразователя может поступать с выходного регистра ЭВМ, к которому подключен ЦАП, или с выходов других цифровых устройств

Если максимальное выходное напряжение ЦАП равно U_МАХ, а число разрядов поступающего на ЦАП двоичного числа равно n , то единице младшего разряда соответствует выходной сигнал . Тогда для выходного напряжения можно записать , где а_i – разряды входного двоичного числа (0 или 1). Единице в старшем разряде будет соответствовать выходное напряжение . Получение набора двоично взвешенных напряжений реализуется или с использованием цепи с двоично взвешенными резисторами или с использованием цепи резисторов R-2R.

Рис. 5.10 ЦАП с двоичное Рис. 5.11. Цап с резистора R-2R

взвешенными резисторами

Схема цифро-аналогового преобразователя с двоично взвешенными резисторами по существу представляет собой управляемый сумматор с двоично взвешенными коэффициентами усиления по каналам (рис.5.10). Величины сопротивлений соседних разрядов отличаются в два раза: R_n-1=R, R_n-2=2R, R_n-3=4R, … R₀=2^n-1 R. Подключение резисторов ко входу усилителя или к земле осуществляется ключами на КМОП транзисторах в зависимости от двоичной цифры соответствующего разряда. При значении 1 в разряде его сопротивление подключается к входу усилителя, при значении 0 – к земле. Суммарная проводимость цепи

.

Благодаря высокому коэффициенту усиления можно считать, что напряжение на входе усилителя равно нулю за счет действия обратной связи. Тогда для суммарного тока через резистивные элементы можно записать: , где U_ОПОР – высокостабильное опорное напряжение, R_ОС – сопротивление обратной связи, U_ВЫХ – выходное напряжение ЦАП.

Так как полный входной ток создается токами всех входов усилителя, то полное выходное напряжение может быть определено:

или

Опорное напряжение должно иметь полярность, противоположную выходному сигналу.

Величина соответствует одному уровню квантования для преобразователя по рассматриваемой схеме.

Для точного преобразования необходимо применять высокоточные резисторы с тщательно подобранными сопротивлениями и поддерживать стабильным опорное напряжение.

В технологическом отношении ЦАП с резисторами R–2R (рис.5.11) более проста, т. к. изготовить (напылить) одинаковые сопротивления более просто. Эта схема также формирует систему двоично взвешенных напряжений.

Использованная схема с суммированием токов имеет преимущество перед другими, т.к. проходящие через ключи токи не изменяются при изменении состояния ключей.

Выпускаемые микросхемы цифро-аналоговых преобразователей часто содержат только резистивную матрицу и требуют дополнительно внешнего источника опорных напряжений и операционного усилителя. Выпускаются и полные ЦАП, не требующие внешних элементов.

Для суммирования напряжений, соответствующих вкладу цифр разрядов двоичного числа, можно использовать схему с операционным усилителем, регулирование коэффициента усиления которого производится соответствующим выбором значений входных сопротивлений. Схема цифро-аналогового преобразователя с суммированием напряжений приведена на рис. 5.11. Число в двоичном коде поступает из регистра на входы 8, 4, 2, 1 операционного усилителя.

Известно, что усиление операционного усилителя определяется соотношением его входного сопротивления R_вх и сопротивления обратной связи R_ос. Если сигналы одной величины подавать на входы усилителя с разным входным сопротивлением R_вхi, то его выходное напряжение будет пропорционально коэффициенту усиления:

.

Для указанных в схеме рис. 11.5 величин входных сопротивлений усиление усилителя по отдельным входам равно:

; ; ; .

Рис. 5.11. АЦП на операционном усилителе

Величины выходного сигнала по разным входам усилителя пропорциональны весовым коэффициентам отдельных разрядов кода 8421 (усиление по входу 2 в два раза больше, по входу 4 — в четыре раза больше, по входу 8 — в восемь раз больше, чем по входу 1).

Сигналы на входы преобразователя могут подаваться либо с выходов двоичного счетчика, либо с выходов триггеров регистра (если преобразуемое число хранится в памяти). Если в триггере разряда записана единица, то с прямого выхода этого триггера подается высокое напряжение (примерно равное напряжению источника питания Е), если ноль, то низкое (нулевое). На выходе усилителя будет сумма величин, пропорциональных весовым коэффициентам двоичного числа, соответствующих тем выходам триггеров, в которых хранится цифра 1. Например, при преобразовании числа 0101 (на входы 2 и 8 поданы уровни нуля, на входы 1 и 4 — уровни единицы) выходное напряжение преобразователя определится:

U_вых = Е^.К₄ + Е^.К₁= Е^.(4К₁ + К₁) = Е^.К₁(4 + 1) = Е^.К₁^.5.

Величина Е^.К₁ соответствует одному уровню квантования для преобразователя по рассматриваемой схеме. Получившееся на выходе преобразователя аналоговое напряжение равно пяти уровням квантования, что соответствует значению кода поданного на его входы двоичного числа (0101₂=5₁₀). Аналогично и для любого другого двоичного числа: напряжение на выходе ЦАП пропорционально его величине.

Для точного преобразования необходимо применять высокоточные резисторы с тщательно подобранными сопротивлениями и поддерживать стабильным напряжение источника питания (напряжение, подаваемое с выходов триггеров на входы преобразователя).