Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и служат для сопряжения цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. В принципе ЦАП выполняют функцию восстановления аналогового сигнала из цифрового. Они широко используются для управления различного рода регуляторами, графопостроителями и другими устройствами непрерывного действия при помощи ЭВМ.

Принцип работы ЦАП заключается в следующем. Для формирования аналогового сигнала на выходе, однозначно соответствующего цифровому коду входного сигнала, аналоговые ключи а_i подключают к выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов b_i, величина которых пропорциональна весу соответствующего двоичного разряда (рис.).

Рис.. Общая схема построения ЦАП

Наибольшее распространение в настоящее время получили микроэлектронные ЦАП. Их в общем случае можно разделить на преобразователи с прямым и промежуточным преобразованием.

Преобразователи с прямым преобразованием обычно параллельного типа. В состав простейшей схемы ЦАП обычно входят источники опорного напряжения, резистивные или активные делители напряжения, аналоговые ключи. В качестве делителей чаще всего применяются матрицы R – 2R, называемые также резистивными сетками или аттенюаторами. Суммирование токов, образованных подключением соответствующих источников, производится операционным усилителем (ОУ).

Учитывая, что входное сопротивление и коэффициент усиления ОУ очень велики, можно считать, что ток в его входной цепи практически не протекает, а все составляющие токов, протекающих через открытые ключи схемы, замыкаются на землю через резистор R_o.c, уравновешиваясь током I_o.c, текущим в цепи обратной связи (о.с.). Поэтому напряжение на выходе ЦАП:

U(N) = R_o.c ∙ I_o.c = R_o.c ∙ a_i,

т.е. ОУ выполняет операцию суммирования токов, которые определяются значениями сопротивлений в тех разрядах ЦАП, где a_i = 1.

Подключая несколько резисторов к суммирующему входу ОУ, на выходе можно получить напряжение, пропорциональное взвешенной сумме входных напряжений. Способ масштабирующих резисторов становится неудобным, если преобразованию подвергаются много разрядов. Декодирующая резистивная сетка R – 2R (рис.) позволяет просто производить такое преобразование.

Рис.. Декодирующая резистивная сетка R – 2R для суммирования

напряжений

Действительно, в этом случае требуется только два значения резисторов, по которым декодирующая резистивная сетка R – 2R формирует токи с двоичным масштабированием. Таким образом, декодирующая сетка для суммирования напряжений является делителем из резисторов только двух номиналов R и 2R, включенных так, что съем разрядных напряжений с выхода схемы пропорционален весам двоичных разрядов. Подключение источника эталонного напряжения к декодирующей сетке осуществляется с помощью ключей К₁ – К_n, которые управляются сигналами с параллельного регистра. Если, например, в регистр предварительно была записана кодовая комбинация 11…10, соответствующая переданной измеряемой величине, то при параллельном считывании этой комбинации ключи К_n, K_n-1 и К₂ переключатся и подсоединят соответствующие резисторы к источнику эталонного напряжения. Ключ К₁, на который подан сигнал 0 не переключится, оставив присоединенные к его выходу резисторы подключенными к «земле». В соответствии с законами электротехники можно определить, какие напряжения будут подаваться на ОУ, если замыкать тот или иной ключ. Так, при включении только старшего n-го разряда выходное напряжение декодирующей сетки:

U_n = (1/2)Е_эт,

а при включении разрядов n – 1 и n – 2:

U_{n - 1} = (1/4)Е_эт, U_{n - 2} = (1/8)Е_эт

Таким образом, выходные напряжения различных разрядов изменяются по двоичному закону и для любого k-го разряда можно записать:

U_{вых. k} = (1/2^k)Е_эт

Это уравнение справедливо, если считать, что работа происходит в режиме холостого хода, т.к. входное сопротивление ОУ очень велико. Счет номеров разрядов в ЦАП начинается со старшего, для которого К = 1. С учетом конечного значения нагрузки

U_{вых. k} =

Если включается несколько разрядов, то выходное напряжение определяется как сумма напряжений:

U_вых. =

Выходное сопротивление декодирующей сетки этого типа постоянно и не зависит от числа включенных разрядов.

Схемы ЦАП на основе резистивных декодирующих сеток R – 2R практичны, надежны, обладают высоким быстродействием и легко реализуются в интегральном исполнении. Не требуется широкого диапазона и чрезвычайной точности при их подгонке.