Лабораторная работа №3. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. Цель работы

Лабораторная работа №3

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Цель работы

Изучить основные способы цифро-аналогового преобразования, схемы построения цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и их основные характеристики.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода.

ЦАП с суммированием весовых токов. Большинство схем ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда [1-3]. При этом должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны лог. 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2³=8, у третьего разряда – 2²=4, у второго – 2¹=2 и у младшего значащего разряда (МЗР) – 2⁰=1.

Рис. 2.1. Простейший ЦАП с суммированием весовых токов

Если вес МЗР I_МЗР=1 мА, то I_СЗР=8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I_{вых.макс}=(1+2+4+8) мА =15 мА и соответствует коду 1111₂. При этом коду 1001₂ будет соответствовать I_вых=9 мА и т. д. Значит, для реализации ЦАП требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая описанный принцип, приведена на рис. 2.1.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. В качестве ключей обычно используют КМОП-ключи. Выходной ток схемы на рис. 2.1 определяется соотношением

, (2.1)

где d_к - состояние ключа S_k (рис. 2.1), D - цифровой код, поданный на входы ЦАП, R₀ - сопротивление резистора в цепи МЗР, U_оп - величина опорного напряжения, относительно которого осуществляется процесс преобразования.

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3 %, в 10-м разряде – 0,05 % и т. д.

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает множеством недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения U_оп ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз для многоразрядных ЦАП, а это делает затруднительной реализацию этих резисторов в серийно выпускаемых интегральных микросхемах (ИМС). Кроме этого, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, что приведет к высокой погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

ЦАП с R-2R матрицей постоянного импеданса. Перечисленные недостатки устранены в схеме ЦАП с R-2R матрицей (рис. 2.2), которая в настоящее время является промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП) [1-6]. В качестве ключей здесь также используются МОП-транзисторы. В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют при помощи последовательного деления опорного напряжения с помощью резисторной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы представляет собой делитель напряжения, который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление R_н, то его входное сопротивление R_вх также должно принимать значение R_н.

Поскольку в любом положении переключателей S_k они соединяют нижние выводы резисторов с общим проводом схемы, источник опорного напряжения нагружен на постоянное входное сопротивление R_вх=R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Рис. 2.2. Схема ЦАП с R-2R матрицей постоянного импеданса

Согласно рис. 2.2, выходные токи схемы определяются соотношениями (значок надчеркивания означает инверсию)

, (2.2)

. (2.3)

Точность рассматриваемой R-2R схемы ограничивает необходимость согласования сопротивления R_вкл ключей с разрядными токами для ЦАП высокой разрядности. Особенно это важно для старших ключей. Например, в типичном 10-разрядном ЦАП ключевые МОП-транзисторы шести старших разрядов сделаны разными по площади, и их сопротивление R_вкл нарастает согласно двоичному коду (например: 100, 200, 400, … , 3200 Ом). Таким способом уравниваются падения напряжения на ключах первых шести разрядов, что обеспечивает монотонность и линейность переходной характеристики ЦАП.

Формирование выходного напряжения для ЦАП с токовым выходом. Для всех рассмотренных нами ЦАП выходным сигналом является ток, хотя наиболее часто требуется получить выход по напряжению. Существует несколько стандартных способов формирования выходного напряжения для ЦАП [1; 3].

Если емкость нагрузки С* невелика, то хорошо работает схема с обычным резистором, подключенным к земле (рис. 2.3а). При типовом выходном токе ЦАП, равном 1 мА, нагрузочный резистор 100 Ом обеспечивает выходное напряжение 100 мВ с выходным сопротивлением 100 Ом.

На рис. 2.3б приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Поскольку пленочные резисторы ЦАП, определяющие весовые токи, имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи R1 следует изготавливать на кристалле ЦАП, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя на 2-3 порядка.

Для R-2R ЦАП на МОП-ключах с учетом (2.3) выходное напряжение схемы на рис. 2.3б составит

, (2.4)

где R - базовое сопротивление резисторов R-2R матрицы.

Рис. 2.3. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

Обычно сопротивление резистора обратной связи R1=R. В таком случае

. (2.5)

Большинство моделей ЦАП имеет значительную выходную емкость. Например, ЦАП К572ПА1 в зависимости от входного кода С* имеет величину 30…120 пФ [6]. Эта емкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором обратной связи R1 может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения выходного ОУ. Особенно это опасно для ЦАП при нулевом входном коде.

Для сохранения устойчивости можно включить параллельно резистору R1 (рис. 2.3б) конденсатор С1, емкость которого в первом приближении можно взять равной С*. Для более точного выбора С1необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОУ. Эти мероприятия так сильно ухудшают временные параметры схемы, что для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОУ.

Некоторые модели ЦАП с МОП ключами допускают отрицательное напряжение на ключах не свыше 0,7 В, поэтому для защиты ключей между токовыми выходами ЦАП иногда включают пару встречно-параллельно соединенных диодов VD1 и VD2 (рис. 2.3б).

Выходное напряжение схемы на рис. 2.3б является отрицательным. Если имеется необходимость в формировании положительного выходного напряжения ЦАП, можно использовать уже рассмотренную нами схему с резистором на выходе ЦАП
(рис. 3а), дополненную неинвертирующим усилителем на ОУ для увеличения амплитуды выходного сигнала (рис. 2.3в).

Задания

1. Собрать схему, изображенную на рисунке 2.1, с 8 разрядами, N=8. R0 принять 128 кОм, R7 cоответственно 1 кОм. Источник питания использовать шину VCC, в свойствах, которой выставить напряжение 1,28 В. На выход подключить амперметр. Ключами подавая различные числа на вход ЦАП измерять соответствующие выходные токи. Убедиться, что выходной ток прямопропорционален поданному на вход числу.

2. Собрать схему, изображенную на рисунке 2.2, с 8 разрядами, N=8. R принять 1 кОм, R7 cоответственно 1 кОм. Источник питания использовать шину VCC, в свойствах, которой выставить напряжение 1,28 В. На выходы подключить амперметры. Ключами подавая различные числа на вход ЦАП измерять соответствующие выходные токи. Убедиться, что выходной ток прямопропорционален поданному на вход числу, а также что суммарный выходной ток остается постоянным не зависимо от положения входных ключей.

3. К схеме из первого задания подключите схемы, изображенные на рисунке 2.3.

Резисторы R1 и R2 – 2 кОм, R3 2кОм. В качестве ОУ (операционного усилителя) использовать 3288RT. На выход ОУ подключить вольтметр (схема подключения питания к ОУ на рис. 2.4). Ключами подавая различные числа на вход ЦАП измерять выходное токи. Убедиться, что выходное напряжение прямопропорционально поданному на вход числу.

В схеме на ряду с ранее использованными компонентами используются следующие:

- операционный усилитель U2 (группа ANALOG→OPAMP→3288RT).

Рисунок 2.4. Схема включения ОУ