В.А. Авдеев, В.Ф. Гузик
Компьютеры: шины, контроллеры, периферийные устройства
Учебное пособие. Таганрог: ТРТУ, 2001. - 536 с.

12. Устройства связи и преобразования информации

12.5 Цифроаналоговые преобразователи

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) выполняют преобразование цифрового кода в аналоговый сигнал и используются для управления аналоговыми параметрами (скоростью, углами поворотов и т.д.) в дисплеях, графопостроителях, гибридных вычислительных машинах, содержащих АВМ и ЭВМ, в качестве основного блока в некоторых типах АЦП, реализующих метод двоично-взвешенного приближения и т.п. К основным параметрам ЦАП относятся: быстродействие, погрешность преобразования и диапазон изменения входных и выходных значений.

Быстродействие ЦАП определяется временем преобразования кода, поступившего на его вход, в выходное напряжение. Шаг квантования Δt – это интервал времени между двумя преобразованиями. Частота квантования . Диапазон выходного сигнала составляет множество значений между начальным и конечным его величинами.

Погрешность квантования характеризуется следующим выражением: , где  и  – соответственно аналоговая величина и ее дискретное значение в момент времени t. Кроме того, погрешность преобразования определяет еще и инструментальная погрешность ключей, резисторной цепи, операционного усилителя, составляющих оборудование ЦАП.

Принцип действия ЦАП поясняет рис. 12.5.

Рис. 12.5. Принцип действия ЦАП

После сброса 4-битный счетчик СТ2 в соответствии с приходом тактовых сигналов (ТС) формирует последовательность кодов 0001, 0010, 0011 и т.д., поступающих на входы ЦАП. На выходе ЦАП образовывается ступенчатая функция напряжения V_ЦАП, аппроксимирующая требуемый аналоговый сигнал. С помощью сглаживающего фильтра напряжения V_ЦАП преобразуется в монотонный аналоговый сигнал V_ф. Из см. рис. 12.5 видно, что ЦАП выполняет двойное квантование как по уровням V, так и по времени t.

Цифровой 4-разрядный код представляется в виде полинома: , где . Число N может быть реализовано в виде аналоговой величины (напряжения) V_вых с помощью резисторной цепи (РЦ) и операционного усилителя (ОУ). Напряжение , где k- коэффициент пропорциональности. На рис.12.6 изображен общий вид схемы 4-разрядного ЦАП и таблица истинности его работы.

Рис. 12.6. Общий вид схемы 4-разрядного ЦАП и таблица истинности его работы

ОУ представляет собой масштабный усилитель с высоким входным сопротивлением R_вх и низким выходным R_вых, позволяющий регулировать коэффициент усиления (К_U) в широких пределах (К_U=U_вых/U_вх= R_ос/R_вх, где R_oc – резистор обратной связи). Наиболее известны два метода реализации РЦ ЦАП с использованием двоично-взвешенных резисторов (рис. 12.7, а) и резисторов лестничного типа R-2R (рис. 12.7, б).

Схема ЦАП (см. рис. 12.7, а) работает в соответствии с таблицей истинности. Аналоговый ключ K_i, подключенный к источнику опорного напряжения (V), управляется разрядом a_i преобразуемого кода. Если a_i=1, то происходит замыкание K_i и опорное V поступает на соответствующий резистор. При a_i=0 K_i соединен с землей. Пусть на входы ЦАП поступил код a₃a₂a₁a₀=0001. Тогда K_u=R_ос/R*2³=10_K/150_K=0.066 и U_вых=U_вх*K_u=9*0.066»0.2В. Недостатком схемы является наличие в ней различных по значениям резисторов, что затрудняет интегральное исполнение ЦАП и ухудшает точность.

ЦАП лестничного типа (см. рис. 12.7, б) содержит резисторы только двух номиналов R и 2R. Работа этого ЦАП также соответствует таблице истинности. Если на входы ЦАП наступил код 0001 или 0010, то на выходе U_вых=0.25В (0,5В) и т.д. Напряжение в каждом узле схемы (1-4) делится пополам, т.е. в узле 1 делится на 2, в узле 2 - на 4 и т.д. При поступлении кода a₃a₂a₁a₀=0001 на входы ЦАП замыкается ключ K₀ и V₄=V/16=3.75/16»0.23В

Сопротивления резисторов в ЦАП лестничного типа равны 5 и 10 кОм и могут быть реализованы на небольшом участке кристалла. В выпускаемых ИС ЦАП применяется лазерная подгонка сопротивлений. На рис. 12.8 показаны структурная схема ЦАП и ее условное изображение.

Рис. 12.8. Структурная схема ЦАП и ее условное изображение

Когда на схему поступают низкие активные уровни сигналов  и , то в 8-битном регистре происходит фиксация кода, установленного на входах D0-D7. Каждый выход бита регистра управляет транзисторным ключом, подключенным к резисторной лестнице R-2R, содержащей 16 резисторов. Источник опорного напряжения (V_оп) может быть внутренним или внешним.

Похожие материалы:
Цивилизация. Типология
Цепеизготовитель (Выпуск №15 ЕТКС)
Цены и расходы по договору мены
Цоколевщик
Чабан (Выпуск №70 ЕТКС)
Часовщик по ремонту механических часов