Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 23
Цифро-аналоговые преобразователи электрических сигналов
В системах автоматизации различных объектов встречаются два вида информационных и управляющих сигналов: аналоговые и цифровые. Реальные физические величины, характеризующие состояние объекта, представлены обычно в аналоговом виде. Для обработки таких сигналов с помощью контролеров и промышленных компьютеров необходимы аналого-цифровые преобразователи, они, как правило, входят в состав современных измерительных приборов и комплексов. Для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с системами, работающими с аналоговыми сигналами, применяются цифро-аналоговые преобразователи. В состав промышленного компьютера входит устройство сопряжения с объектами (УСО), которое обеспечивает возможность приема информации и выдачу сигналов управления в аналоговом и цифровом виде.
Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется электронное устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации в аналоговую. Области применения ЦАП достаточно широки. Они используются в системах передачи данных, в измерительных приборах, кроме того, в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях, поэтому существует большое многообразие ЦАП, выпускаемых в интегральном исполнении. Интегральные микросхемы (ИМС) ЦАП классифицируются по следующим признакам:
- по виду выходного сигнала: с токовым выходом и с выходом в виде напряжения;
- по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;
по быстродействию: преобразователи умеренного и высокого быстродействия.
Условное графическое обозначение ЦАП показано на рисунке 23.1.
Рисунок 23.1 - Условное графическое обозначение ЦАП
ЦАП имеет систему информационных входов, на которые обычно параллельно подается преобразуемый код и один выход, с которого снимается постоянное напряжение или ток. Иногда для уменьшения размеров микросхем, которые. в основном, зависят от количества выводов, используется последовательный способ введения кода.
23.1 Параметры ЦАП
Для количественного описания свойств ЦАП существует целый ряд параметров. Все параметры ЦАП разделяются на две группы: статические и динамические параметры.
К статическим параметрам относят:
- разрешающую способность,
- диапазон значений выходного сигнала,
- погрешности преобразования,
- характеристики управляющего кода.
К динамическим параметрам относят:
- время установления выходного напряжения,
- максимальную частоту преобразования,
- скорость нарастания выходного напряжения.
23.1.1 Статические параметры
При последовательном возрастании цифрового сигнала , часто в виде двоичного кода, от 0 до на единицу младшего значащего разряда (МЗР), выходной сигнал образует ступенчатую кривую, средние точки которой расположены на идеальной прямой 1 (рисунок 23.2).
Рисунок 23.2 -. Статическая характеристика преобразования ЦАП
Таким образом, напряжение на выходе представляется в виде квантованной по уровню величине. Коду соответствует максимальное напряжение на выходе, которое называется напряжением полной шкалы . Высота ступеньки называется шагом квантования и равна весу МЗР
, (23.1)
где N – число разрядов двоичного кода.
Разрешающая способность определяется как величина, обратная максимальному количеству градаций выходного сигнала
. (23.2)
Пример: , , то , , .
Реальная характеристика преобразования может отличаться от идеальной размерами, формой ступенек и расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует ряд параметров, которые называются погрешностями преобразования.
Интегральная нелинейность – максимальное отклонение характеристики преобразования от идеальной Обычно определяется в относительных единицах, но в справочниках часто приводится в единицах МЗР. Из рисунка 23.2 можно определить интегральную погрешность нелинейности как наибольшее отклонение линии 2 от идеальной отнесенную к напряжению полной шкалы
. (23.3)
Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение отклонения реальной характеристики преобразования при переходе от одного значения кода к смежному значению. Другими словами, это разность приращений выходной величины в двух смежных значениях кода, отнесенная к напряжению полной шкалы.
. (23.4)
Абсолютная величина должна быть меньше веса МЗР, что говорит о монотонности преобразования.
Погрешность смещения нуля определяется выходным напряжением при входном коде, соответствующем нулевому значению. Эта погрешность является аддитивной и соответствует сдвигу идеальной характеристики на величину (линия 3, рисунок 23.2). Значение погрешности дается в милливольтах или в единицах МЗР, а иногда в относительных единицах
. (23.5)
Погрешность полной шкалы – относительная разность между реальным и идеальным значением предела шкалы преобразования при отсутствии напряжения смещения нуля. Эта погрешность является мультипликативной и объясняется изменением угла наклона характеристики преобразования (линия 4, рисунок 23.2).
. (23.6)
23.1.2 Динамические параметры
Динамические параметры ЦАП определяют по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода.
Время установления – это интервал времени от подачи входного кода до момента вхождения выходного напряжения в заданный интервал, определяемый погрешностью.
Максимальная частота преобразования – это наибольшая частота смены кода, при которой все параметры ЦАП соответствуют техническим условиям.
Скорость нарастания – максимальная скорость изменения выходного напряжения во время переходного процесса.
23.2 Принципы построения ЦАП
Наибольшее распространение получили ЦАП с суммированием токов, значение каждого из токов пропорционально весу цифрового разряда Токи могут формироваться с помощью взвешенных резистивных матриц и резистивных матриц R-2R.
23.2.1 ЦАП с взвешенной резистивной матрицей
ЦАП с взвешенной резистивной матрицей (рисунок 23.3) содержит ряд резисторов, причем сопротивление последующего в два раза больше предыдущего; источник эталонного напряжения , отличающийся высокой стабильностью; ряд переключателей S, которые управляются кодом, подаваемым на вход ЦАП.
Рисунок 23.3 - Схема ЦАП с взвешенной резистивной матрицей
Сумма токов, втекающих в суммирующую точку «а», преобразуется в выходное напряжение
. (23.7)
Токи можно определить как
, , , , (23.8)
а напряжение на выходе как
=
, (23.9)
где - разряд кода может принимать значение «0» или «1».
Схема построена так, что ток от источника эталонного напряжения остается постоянным при любой комбинации положение ключей. Токи через резисторы протекают постоянно. При верхнем положении ключа (=0) ток протекает на землю, а при нижнем положении ключа (=1) ток втекает в точку «а», которая имеет потенциал земли. Постоянство тока позволяет исключить влияние выходного сопротивления источника опорного напряжения.
Основной недостаток рассмотренной структуры трудность реализации точных резисторов в широком диапазоне значений сопротивлений. Сопротивление резисторов в младшем разряде в больше, чем в старшем. Это положение создает трудности при изготовлении резистивных матриц по интегральной технологии. Этот недостаток устранен в ЦАП с использованием резистивной матрицы R-2R.
23.2.2 ЦАП с резистивной матрицей R-2R
ЦАП (рисунок 23.4) состоит из резистивной матрицы R-2R, ключей , управляемых цифровыми сигналами , и операционного усилителя ОУ.
Рисунок 23.4 - Схема ЦАП с резистивной матрицей R-2R
В этой схеме задание весовых коэффициентов преобразователя осуществляется путем последовательного деления токов. Основной элемент матрицы представляет собой делитель тока с постоянной входной проводимостью. Действительно, проводимость цепи правее точки «е» равна , и ток в этой точке делится пополам. Проводимость цепи правее точки «d» равна , и ток также делится на два равных тока. Таким образом, можно записать
, , , , (23.10)
а напряжение на выходе
. (23.11)
Данная структура построена так, что при любом положении ключей они соединяют нижние выводы резисторов с землей или с суммирующей точкой, потенциал которой равен потенциалу земли. Это положение гарантирует постоянство тока потребления от источника эталонного напряжения. Главным достоинством этой структуры является наличие только двух номиналов резисторов, что позволяет эффективнее использовать интегральную технологию.
В настоящее время различными фирмами выпускается большая номенклатура ЦАП. По совокупности параметров ЦАП принято делить на три группы: общего применения, прецизионные и быстродействующие. Быстродействующие ЦАП имеют время установления меньше 100 нс.
К прецизионным относятся ЦАП с погрешностью от нелинейности менее 0.1%. В таблице 23.1 приведены важнейшие характеристики некоторых типов преобразователей.
Таблица 23.1
|
Наимено-вание ЦАП |
Разряд-ность, бит |
Число каналов |
Время устнов., мкс |
Интер-фейс |
Интеграл. Нелиней-ность,% |
|
К594ПА2 |
12 |
1 |
3,5 |
Парал. |
0.02 |
|
К118ПА4 |
10 |
1 |
0.03 |
Парал. |
0.02 |
|
МАХ527 |
12 |
4 |
3 |
Парал. |
0.02 |
|
АD7841 |
14 |
8 |
20 |
Парал. |
0.02 |
|
AD760 |
18 |
1 |
13 |
Посл. |
0.002 |