Цифро-аналогові перетворювачі

  • Час 29-07-2015, 11:37
  • Автор admin
  • Коментарів 0 Комент.
  • Силка url

Основні поняття і загальні способи реалізації

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) - це пристрій для перетворення цифрового коду в аналоговий сигнал за величиною, пропорційною значенню коду.

ЦАП застосовуються для зв'язку цифрових керуючих систем з пристроями, що управляються рівнем аналогового сигналу. Також, ЦАП є складовою частиною у багатьох структурах аналого-цифрових пристроїв і перетворювачів.

ЦАП характеризується функцією перетворення. Вона пов'язує зміна цифрового коду з зміною напруги або струму. Функція перетворення ЦАП виражається наступним чином

Цифро-аналогові перетворювачі
, де

U вих - значення вихідної напруги, що відповідає цифровому коду Nвх, що подається на входи ЦАП.

Uмах - максимальна вихідна напруга, відповідне подачі на входи максимального коду Nмах

Цифро-аналогові перетворювачі

Величину Кцап, що визначається відношенням

Цифро-аналогові перетворювачі
, називають коефіцієнтом цифроаналогового перетворення. Незважаючи на ступінчастий вигляд характеристики, зв'язаний з дискретним зміною вхідної величини (цифрового коду), вважається, що ЦАП є лінійними перетворювачами.

Якщо величину Nвх представити через значення ваг його розрядів, функцію перетворення можна виразити наступним чином

Цифро-аналогові перетворювачі
, де

i - номер розряду вхідного коду Nвх; Ai - значення i-го розряду (нуль або одиниця); Ui - вага i-го розряду; n - кількість розрядів вхідного коду (число розрядів ЦАП).

Вага розряду визначається для конкретної розрядності, і обчислюється за такою формулою

Цифро-аналогові перетворювачі
, де

UОП-опорна напруга ЦАП

Принцип роботи більшості ЦАП - це підсумовування часткою аналогових сигналів (ваги розряду), в залежності від вхідного коду.

ЦАП можна реалізувати з допомогою підсумовування струмів, підсумовування напруг і розподілу напруг. У першому і другому випадку у відповідності зі значеннями розрядів вхідного коду, сигнали підсумовуються генераторів струмів і джерел Е. Д. С. Останній спосіб являє собою керований кодом дільник напруги. Два останніх способи не знайшли широкого розповсюдження в зв'язку з практичними труднощами їх реалізації.

Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналогові перетворювачі

Способи реалізації ЦАП з виваженим підсумовуванням струмів

Розглянемо побудову простого ЦАП з виваженим сумуванням струмів.

Цифро-аналогові перетворювачі

Цей ЦАП складається з набору резисторів і набору ключів. Число ключів і число резисторів дорівнює кількості розрядів n вхідного коду. Номінали резисторів вибираються у відповідності з двійковим законом. Якщо R=3 Ом, то 2R= 6 Ом , 4R=12 Ом, і так далі, тобто кожний наступний резистор більше попереднього в 2 рази. При приєднанні джерела напруги і замиканні ключів, через кожен резистор потече струм. Значення струмів по резистори, завдяки відповідному вибору їх номіналів, теж будуть розподілені по двійковому законом. При подачі вхідного коду Nвх включення ключів проводиться у відповідності зі значенням відповідних їм розрядів вхідного коду. Ключ замикається, якщо відповідний йому розряд дорівнює одиниці. При цьому сайті підсумовуються струми, пропорційні ваг цих розрядів і величина випливає з сайту струму в цілому буде пропорційна значенню вхідного коду Nвх.

Опір резисторів матриці вибирають досить велика (десятки кОм). Тому для більшості практичних випадків для навантаження ЦАП відіграє роль джерела струму. Якщо на виході перетворювача необхідно отримати напруга, то на виході такого ЦАП встановлюється перетворювач "струм-напруга", наприклад, на операційному підсилювачі

Цифро-аналогові перетворювачі

Однак при зміні коду на входах ЦАП змінюється величина струму, що відбирається від джерела опорної напруги. Це є головним недоліком такого способу побудови ЦАП. Такий метод побудови можна використовувати тільки в тому випадку, якщо джерело опорного напруги буде з низьким внутрішнім опором. В іншому випадку в момент зміни вхідного коду змінюється струм, що відбирається у джерела, що приводить до зміни падіння напруги на його внутрішньому опорі і, в свою чергу, до додаткового безпосередньо не пов'язаного зі зміною коду зміни вихідного струму. Виключити цей недолік дозволяє структура ЦАП з переключающимися ключами

Цифро-аналогові перетворювачі

У такій структурі є два вихідних сайту. В залежності від значень розрядів вхідного коду відповідні їм ключі підключаються до сайту, пов'язаній з виходом пристрою, або до іншого сайту, який найчастіше заземлюється. При цьому через резистор матриці струм тече постійно, незалежно від положення ключа, а величина струму, що споживається від джерела опорної напруги, постійна.

Загальним недоліком обох розглянутих структур є велике співвідношення між найменшим і найбільшим номіналом резисторів матриці. Разом з тим, не дивлячись на велику різницю номіналів резисторів необхідно забезпечувати однакову абсолютну точність підгонки як самого великого, так і маленького за номіналом резистора. В інтегральному виконанні ЦАП при числі розрядів більше 10 це забезпечити досить важко.

Від усіх зазначених вище недоліків вільні структури на основі резистивних R-2R матриць

Цифро-аналогові перетворювачі

При такій побудові резистивної матриці струм у кожній наступній паралельної гілки менше ніж у попередньої в два рази. Наявність лише двох номіналів резисторів в матриці дозволяє досить просто здійснювати підгонку їх значень.

Вихідний струм для кожної з представлених структур пропорційний одночасно не тільки величиною вхідного коду, але і величиною опорної напруги. Часто кажуть, що він пропорційний добутку цих двох величин. Тому такі ЦАП називають умножающими. Такими властивостями будуть володіти всі ЦАП, в яких формування зважених значень струмів, відповідних ваг розрядів, проводиться за допомогою резистивних матриць.

Інтегральні технології дозволяє досить просто формувати на кристалі резистори, наприклад, КМОП - технологія. Як і всі інші ІС, створені на її основі, такі ЦАП, характеризуються низькою вартістю і низьким споживанням. Недоліком даної технології - це паразитні ємності, і випливає з нього низька швидкодія. Більшої швидкодії допоможе досягти біполярна технологія. АЛЕ вона не розрахована для створення точних резисторів, Тому при використанні таких технологій ЦАП робиться на основі транзисторних джерел струму. Залежність вихідного струму транзисторних джерел струму від величини живлячої напруги не лінійна, тому такі ЦАП умножающими не є.

Крім використання за прямим призначенням множать ЦАП використовуються як аналого-цифрові перемножители, як кодоуправляемых опорів і провідностей. Вони широко застосовуються як складові елементи при побудові кодоуправляемых (мультиплексори) підсилювачів, фільтрів, джерел опорних напруг, формувачів сигналів і т. д.

Основні параметри і похибки ЦАП

Основні параметри, які можна побачити в довіднику:

1. Число розрядів - кількість розрядів вхідного коду.

2. Коефіцієнт перетворення - відношення приросту вихідного сигналу до збільшенню вхідного сигналу для лінійної функції перетворення.

3. Час встановлення вихідної напруги або струму - інтервал часу від моменту зміни заданого коду на вході ЦАП до моменту, при якому вихідна напруга або струм остаточно увійдуть в зону шириною молодшого значущого розряду (МЗР).

4. Максимальна частота перетворення - найбільша частота зміни коду, при якій задані параметри відповідають встановленим нормам.

Цифро-аналогові перетворювачі

Існують і інші параметри, що характеризують виконання ЦАП та особливості його функціонування. У їх числі: вхідна напруга низького і високого рівня, струм споживання, діапазон вихідної напруги або струму.

Найважливішими параметрами для ЦАП є ті, які визначають його точнісні характеристики.

Точнісні характеристики кожного ЦАП, перш за все, визначаються нормованими за величиною похибками.

Похибки поділяються на динамічні та статичні. Статичними похибками називаються похибки, що залишаються після завершення всіх перехідних процесів, пов'язаних зі зміною вхідного коду. Динамічні похибки визначаються перехідними процесами на виході ЦАП, що виникли внаслідок зміни вхідного коду.

Основні типи статичних похибок ЦАП:

Абсолютна похибка перетворення в кінцевій точці шкали - відхилення значення вихідної напруги (струму) від номінального значення, що відповідає кінцевій точці шкали функції перетворення. Вимірюється в одиницях молодшого розряду перетворення.

Напруга зміщення нуля на виході - напруга постійного струму на виході ЦАП при вхідному коді, що відповідає нульовому значенню вихідної напруги. Вимірюється в одиницях молодшого розряду. Похибка коефіцієнта перетворення (масштабна) -пов'язана з відхиленням нахилу функції перетворення від необхідного.

Нелінійність ЦАП - відхилення дійсної функції перетворення від обумовленої прямій лінії. Є найгіршою похибкою з якою важко боротися.

Похибки нелінійності в загальному випадку поділяють на два типи - інтегральні і диференціальні.

Похибка інтегральної нелінійності - максимальне відхилення реальної характеристики від ідеальної. Фактично при цьому розглядається узагальнена функція перетворення. Визначають цю похибка у відсотках від кінцевого діапазону вихідної величини.

Диференціальна нелінійність пов'язана з неточністю завдання ваг розрядів, тобто з похибками елементів дільника, розкидом залишкових параметрів ключових елементів, генераторів струму і т. д.

Способи ідентифікації та корекції похибок ЦАП

Бажано, щоб корекція похибок вироблялося при виготовленні перетворювачів (технологічна підгонка). Однак, часто вона бажана і при використанні конкретного зразка БІС в тому чи іншому пристрої. У цьому випадку корекція проводиться введенням в структуру пристрою крім БІС ЦАП додаткових елементів. Такі методи одержали назву структурних.

Найскладнішим процесом є забезпечення лінійності, так як вони визначаються пов'язаними параметрами багатьох елементів і вузлів. Найчастіше здійснюють підгонку тільки зміщення нуля, коефіцієнта

Точнісні параметри, що забезпечуються технологічними прийомами, погіршуються при впливі на перетворювач різних дестабілізуючих факторів, у першу чергу температури. Необхідно пам'ятати і про фактор старіння елементів.

Похибка зсуву нуля і масштабна похибка легко коригуються на виході ЦАП. Для цього у вихідний сигнал вводять постійне зміщення, що компенсує зміщення характеристики перетворювача. Необхідний масштаб перетворення встановлюють, або коригуючи коефіцієнт підсилення, що встановлюється на виході перетворювача підсилювача, або підлаштовуючи величину опорної напруги, якщо ЦАП є умножающим.

Компенсаційні методи полягають у введенні в структуру перетворювача допоміжних резистивних матриць, керованих кодом, зворотним кодом, який подається на основну матрицю. Це дозволяє зменшити паразитне вплив кодозависимых струмів, що протікають по загальним шин землі і харчування, стабілізує рассеиваемую потужність і тепловий режим схеми.

Методи корекції з тестовим контролем полягають в ідентифікації похибок ЦАП на всій безлічі припустимих вхідних впливів і додаванням, розрахованих на основі цього поправок, до вхідної або вихідної величиною для компенсації цих похибок.

При будь-якому методі корекції з контролем за тестового сигналу передбачаються наступні дії:

1. Вимір характеристики ЦАП на достатньому для ідентифікації похибок безлічі тестових впливів.

2. Ідентифікація похибок обчисленням їх відхилень за результатами вимірювань.

3. Обчислення коригувальних поправок перетворюваних величин або необхідних коригувальних впливів на коригована блоки.

4. Проведення корекції.

Контроль може проводитись один раз перед встановленням перетворювача в пристрій за допомогою спеціального лабораторного вимірювального обладнання. Може проводитися і за допомогою спеціалізованого обладнання вбудованого в пристрій. При цьому контроль, як правило, проводиться періодично, весь той час поки перетворювач не бере участь безпосередньо в роботі пристрою. Така організація контролю і корекції перетворювачів може здійснюватися при його роботі в складі мікропроцесорної вимірювальної системи.

Основний недолік будь-якого методу наскрізного контролю - великий час контролю поряд з різнорідністю і великим обсягом використовуваної апаратури.

Визначені тим чи іншим способом величини поправок зберігаються, як правило, в цифровій формі. Корекція ж похибок з урахуванням цих поправок може проводитися як в аналоговій, так і в цифровій формі.

При цифрової корекції поправки додаються з урахуванням їх знака до вхідного коду ЦАП. В результаті на вхід ЦАП надходить код, при якому на його виході формується необхідне значення напруги або струму. Найбільш проста реалізація такого способу корекції складається з коригованого ЦАП, на вході якого встановлено цифрове запам'ятовуючий пристрій (ЗУ). Вхідний код грає роль адресного. В ЗУ за відповідними адресами занесені, заздалегідь розраховані з урахуванням поправок, значення кодів, що подаються на коригований ЦАП.

Цифро-аналогові перетворювачі

При аналогової корекції крім основного ЦАП використовується ще один додатковий ЦАП. Діапазон його вихідного сигналу відповідає максимальній величині похибки коригованого ЦАП. Вхідний код одночасно надходить на входи коригованого ЦАП і на адресні входи ЗУ поправок. З ЗУ поправок вибирається відповідна даному значенню вхідного коду поправка. Код поправки перетворюється в пропорційне йому сигнал, який підсумовується з вихідним сигналом коригованого ЦАП. Зважаючи малості необхідного діапазону вихідного сигналу додаткового ЦАП порівняно з діапазоном вихідного сигналу коригованого ЦАП власними похибками першого нехтують.

Цифро-аналогові перетворювачі

У ряді випадків виникає необхідність проведення корекції динаміки роботи ЦАП.

Перехідна характеристика ЦАП при зміні різних кодових комбінацій буде різною, іншими словами - різними буде час встановлення вихідного сигналу. Тому при використанні ЦАП необхідно враховувати максимальний час встановлення. Однак у ряді випадків вдається коригувати поведінку передатної характеристики.

Особливості застосування БІС ЦАП

Для успішного застосування сучасних БІС ЦАП недостатньо знати перелік їх основних характеристик і основні схеми їх включення.

Істотний вплив на результати застосування БІС ЦАП надає виконання експлуатаційних вимог, обумовлених особливостями конкретної мікросхеми. До таких вимог належать не тільки використання допустимих вхідних сигналів, напруги джерел живлення, ємності і опору навантаження, але і виконання черговості включення різних джерел живлення, поділ ланцюгів підключення різних джерел харчування й загальної шини, застосування фільтрів і т. д.

Для прецизійних ЦАП особливого значення набуває вихідна напруга шуму. Особливість проблеми шуму в ЦАП полягає в наявності на його виході сплесків напруги, викликаних перемиканням ключів всередині перетворювача. По амплітуді ці сплески можуть досягати декількох десятків значень ваг МЗР і створювати труднощі в роботі наступних за ЦАП пристроїв обробки аналогових сигналів. Рішенням проблеми придушення таких сплесків є використання на виході ЦАП пристроїв вибірки-зберігання (УВХ). УВХ управляється від цифрової частини системи, формує нові кодові комбінації на вході ЦАП. Перед подачею нової кодової комбінації УВХ переводиться в режим зберігання, розмикаючи ланцюг передачі аналогового сигналу на вихід. Завдяки цьому сплеск вихідної напруги ЦАП не потрапляє на висновок УВХ, яка потім переводиться в режим спостереження, повторюючи вихідний сигнал ЦАП.

Спеціальна увага при побудові ЦАП на базі БІС необхідно приділяти вибору операційного підсилювача, що служить для перетворення вихідного струму ЦАП напруга. При подачі вхідного коду на виході ЦАП ОУ буде діяти помилка DU, обумовлена його напругою зсуву і дорівнює

Цифро-аналогові перетворювачі
,

де Uзм - напруга зсуву ОУ; Rос - величина опору в ланцюзі зворотного зв'язку ОУ; Rм - опір резистивної матриці ЦАП (вихідний опір ЦАП), залежне від величини поданого на його вхід коду.

Оскільки відношення

Цифро-аналогові перетворювачі
 змінюється від 1 до 0, помилка, обумовлена Uзм, змінюється в межах (1...2)Uзм. Впливом Uзм нехтують при використанні ОУ, у якого
Цифро-аналогові перетворювачі
.

Внаслідок великої площі транзисторних ключів КМОП БІС істотна вихідна ємність БІС ЦАП (40...120 пФ залежно від величини вхідного коду). Ця ємність робить істотний вплив на час встановлення вихідної напруги ОУ до необхідної точності. Для зменшення цього впливу Rос шунтують конденсатором Сос.

У ряді випадків на виході ЦАП необхідно отримувати двополярне вихідна напруга. Цього можна досягти введенням на виході зміщення діапазону вихідного напруги, а для примножують ЦАП перемиканням полярності джерела опорного напруги.

Слід звернути увагу, що якщо ви використовуєте інтегральний ЦАП, має число розрядів більше ніж вам потрібно, то входи невикористаних розрядів підключають до земляний шині, однозначно визначаючи на них рівень логічного нуля. Причому для того, щоб працювати по можливості з великим діапазоном вихідного сигналу БІС ЦАП за такі розряди приймають розряди, починаючи з самого молодшого.

Один з практичних прикладів застосування ЦАП - це формувачі сигналів різної форми. Зробив невелику модель в протеусе. З допомогою ЦАП керованого МК (Atmega8, хоча можна зробити і на Tiny), формуються сигнали різної форми. Програма написана на Сі в CVAVR. По натисненню кнопки формується сигнал змінюється .

БІС ЦАП DAC0808 National Semiconductor,8-розрядний, високошвидкісний, включена згідно з типовою схемою. Так як вихід у нього токовий, з допомогою інвертуючого підсилювача на ОП перетвориться в напругу.

Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналогові перетворювачі

Цифро-аналогові перетворювачі

В принципі можна навіть ось такі цікаві фігури, що нагадує правда? Якщо вибрати розрядність більше, то вийде більш плавні

Цифро-аналогові перетворювачі

Список літератури:
1. Бахтіяров Р. Д., Малінін Ст. Ст., Школін В. П. Аналого-цифрові перетворювачі/Під ред. Р. Д. Бахтіярова - М: Сов. радіо. - 1980. - 278 с.: іл.
2. Проектування аналого-цифрових контрольно-керуючих мікропроцесорних систем.
3. О. В. Шишов. - Саранськ: Вид-во Мордов. ун-та, 1995. - с.

Нижче ви можете завантажити проект Proteus

Автор: sulika

Прикріплені файли:
  • DAC.rar (1127 Кб)
Tags

Коментарі до новини