Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Техника преобразования является существенной составляющей способов формирования аналоговых изображений с помощью цифровых средств, например, показаний измерительных приборов или двухкоординатных изображений, создаваемых компьютером. Даже в относительно простой электронной аппаратуре существует масса возможностей для применения цифро-аналогового преобразования.
Цель состоит в том, чтобы преобразовать количество, определенное в виде двоичного числа (или многоразрядного двоичнодесятичного числа), в напряжение или ток, пропорциональное значению цифрового входа. Рассмотрим несколько распространенных способов преобразования.

Цифро-аналоговые преобразователи

Масштабирующие резисторы в суммирующем соединении

Подключая несколько резисторов к суммирующему входу операционного усилителя, на выходе можно получить напряжение, пропорциональное взвешенной сумме входных напряжений.

Цифро-аналоговые преобразователи. Включение масштабирующих резисторов в суммирующее соединение

Напряжение на выходе этой схемы изменяется от 0 до —10 В, причем максимальный выход соответствует входному числу 64. Действительно, максимальное входное число всегда равно 2n-1, т. е. все разряды находятся в «1». В данном случае максимальное входное число равно 63, а соответствующее выходное напряжение равно —10 х 63/64. Изменяя резистор обратной связи, можно добиться, чтобы выход изменялся от 0 до — 6,3В (т. е. сделать так, чтобы выход в вольтах был бы численно равен —1/10 входного числа), можно добавить также инвертирующий усилитель или постоянное смещение на суммирующий вход, чтобы получить положительный выход.

Изменяя значения входных резисторов, можно соответствующим образом преобразовать многоразрядный двоично-десятичный входной код, или любой другой взвешенный код. Входные напряжения должны соответствовать точным эталонам. Чем меньше значение входного резистора, тем большую точность он должен иметь. Разумеется, сопротивление переключения должно быть меньше, чем 1/2n величины самого маленького резистора. Это важное замечание, поскольку переключение во всех реальных схемах выполняется с помощью транзисторов или ключей на МОП-транзисторах. Этот способ преобразования используется только в быстрых преобразователях низкой точности.

Цепная R-2R-cxeмa

Способ масштабирующих резисторов становится неудобным, если преобразованию подвергается много разрядов. Например, для 12-разрядного преобразователя потребуется соотношение величин резисторов 2000:1 с соответствующей точностью самого маленького резистора. Цепная R-2R-схема, показанная на рисунке приводит к простому решению этой задачи.

Цифро-аналоговые преобразователи. Схема лестничного типа R-2R.
Схема лестничного типа R-2R.

Здесь требуются только 2 значения резисторов, по которым R-2R-схема формирует токи с двоичным масштабированием. Резисторы, конечно, должны быть точно подобраны, хотя действительные их величины не так существенны. Приведенная схема формирует выходное напряжение от 0 до -10 В с полным выходом, соответствующим числу 16 (опять же максимальное входное число равно 15 при выходном напряжении 10 х 15/16). Для двоично-десятичного преобразования используется несколько модификаций R-2R-схемы.

Источники масштабирующих токов

В схеме упомянутого выше R-2R-преобразователя операционный усилитель преобразует двоично-масштабированные токи в выходное напряжение. Во многих случаях выходное напряжение является наиболее удобным видом сигнала, но операционные усилители, как правило, составляют самую медленную часть преобразователя. Если использовать преобразователь с токовым выходом, то можно добиться лучших характеристик за более низкую цену. Рисунок ниже иллюстрирует общую идею.

Цифро-аналоговые преобразователи. Классическая схема ЦАП с коммутацией токов
Классическая схема ЦАП с коммутацией токов

Токи можно сформировать с помощью матрицы транзисторных источников тока с масштабирующими эмиттерными резисторами, хотя проектировщики ИС предпочитают использовать цепную R-2R-схему из эмиттерных резисторов. В большинстве преобразователей этого типа источники тока включены все время, а их выходной ток подключается к выходному контакту или к земле под управлением цифрового входного кода. В ЦАП с токовым выходом следует принимать во внимание ограничение по размаху выхода. Он может достигать всего 0,5 В, хотя типовое его значение составляет несколько вольт.

Формирование выходного сигнала напряжения

Существует несколько способов формирования выходного напряжения для токовых ЦАП. Если емкость нагрузки невелика, а требуемый перепад напряжения достаточно большой, то прекрасно работает схема с обычным резистором, подключенным к земле.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

При типовом полномасштабном выходном токе 1 мА нагрузочный резистор 100 Ом обеспечивает полномасштабное выходное напряжение 100 мВ с выходным импедансом 100 Ом. Если суммарная емкость выхода ЦАП и емкость нагрузки не превышает 100 пкФ, то время установки в предыдущем примере будет равно 100 нс, предполагая, что быстродействие ЦАП несколько выше. Анализируя влияние постоянной времени RС-цепочки, не забывайте, что выходное напряжение установится с точностью до 1/2 МЗР (младшего значащего разряда) за время, составляющее несколько постоянных времени. Например, время установления выхода с точностью 1/2048 для 10-разрядного преобразователя составляет 7,6 постоянных времени RС-цепочки.

Для того чтобы сформировать большой перепад напряжения или согласовать выход с низкоомной нагрузкой или с большой нагрузочной емкостью, можно использовать показанную на рисунке схему с резистивной обратной связью (усилитель тока с выходом по напряжению).

б Формирование напряжения по токовому выходу Цифро-аналогового преобразователя.

Конденсатор, шунтирующий резистор обратной связи, необходим для обеспечения устойчивости, поскольку выходная емкость ЦАП в сочетании с резистором обратной связи создает запаздывающий фазовый сдвиг. Это, к сожалению, снижает быстродействие усилителя. Схема обладает одной занимательной особенностью: для поддержания высокой скорости даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установки) операционный усилитель. И последняя схема обеспечивает лучшие характеристики, поскольку не требует компенсирующего конденсатора.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Старайтесь избегать погрешностей напряжения сдвига — операционный усилитель усиливает входное напряжение сдвига в 100 раз.
Коммерчески доступные модули ЦАП обладают точностью от 6 до 18 бит и временем установления от 22 нс до 100 мкс (ЦАП с самой высокой точностью). Типовым широко распространенным блоком является AD7248, 12-разрядный преобразователь с защелкой и внутренним опорным источником и с временем установления для выхода по напряжению, равным 5 мкс.

Интегрирующие ЦАП

В прикладных задачах «цифровой» вход может представлять собой последовательность импульсов или колебание другого вида определенной частоты. В этом случае непосредственное преобразование в напряжение иногда оказывается более удобным, чем предварительный отсчет времени с последующим преобразованием двоичного числа по описанным выше способам. При прямом преобразовании частоты в напряжение на каждом входном цикле генерируется стандартный импульс. Он может быть как импульсом напряжения, так и импульсом тока (т. е. фиксированным количеством заряда).

Импульсная последовательность усредняется RС-фильтром низких частот или интегратором, создавая выходное напряжение, пропорциональное средней входной частоте. Выход, разумеется, имеет пульсации и для того, чтобы их уменьшить до уровня точности ЦАП (т.е. до 1/2 МЗР) используют фильтр низкой частоты, который замедляет выходную реакцию преобразователя. Для того чтобы пульсации были меньше 1/2 МЗР, постоянная времени Т простого RС-фильтра низких частот должна быть, по крайней мере, равной Т= 0,69(n + 1)То, где То— период выходного сигнала n-разрядного преобразователя частоты в напряжение, соответствующий максимальной входной частоте. Другими словами, время установления выхода до 1/2 МЗР будет примерно равно t = 0,5(n + 1)2Тo.

10-разрядный преобразователь частоты в напряжение с максимальной входной частотой 100 кГц при использовании сглаживающего RС-фильтра будет иметь время установления выходного напряжения 0,6 мс. Используя более сложный фильтр низких частот (с крутым срезом), можно добиться лучших результатов. Однако, прежде чем увлекаться затейливыми схемами фильтров, вспомните, что очень часто преобразование частоты в напряжение используется, когда не требуется выход по напряжению.

Широтно-импульсная модуляция

В этом способе используется цифровой входной код для формирования последовательности импульсов фиксированной частоты с длительностью импульсов, пропорциональной входному числу. Легче всего это сделать с помощью счетчика, компаратора и высокочастотного генератора тактовых импульсов. Как и прежде, можно использовать простейший фильтр низких частот для того, чтобы сформировать выходное напряжение, пропорциональное среднему времени пребывания в высоком состоянии, т.е. пропорциональное цифровому входному коду.

Наиболее часто этот вид цифро-аналогового преобразования используется, когда сама нагрузка является системой с медленной реакцией. В этом случае широтно-импульсный модулятор генерирует точные порции энергии, усредняемые системой, подключенной в качестве нагрузки. Нагрузка, например, может быть емкостной (как в стабилизаторе с импульсным регулированием), термической (термостатированная ванна с нагревателем), механической (система автоматического регулирования скорости ленты) или электромагнитной (большой электромагнитный регулятор).

Умножитель частоты с усреднением

Умножители частоты можно использовать для создания простого ЦАП. Параллельный двоичный или двоично-десятичный входной код преобразуется в последовательность выходных импульсов со средней частотой, пропорциональной цифровому входу. Для формирования выхода по постоянному току, пропорционального цифровому входному коду, можно, как и для описанного выше преобразователя частоты в напряжение, использовать простое усреднение. Хотя в данном случае величина постоянной времени выхода может оказаться недопустимо большой, поскольку время усреднения на выходе умножителя частоты должно быть равно наибольшему периоду выходного сигнала умножителя. Достоинства умножителей частоты как цифро-аналоговых преобразователей особенно проявляются, когда выход усредняется за счет сильной инерционности самой нагрузки.

По-видимому, лучше всего применять такие преобразователи при цифровом управлении температурой, где по каждому выходному импульсу частотного умножителя происходит переключение полных периодов напряжения переменного тока на нагревателе. Частотный умножитель при этом организуется таким образом, чтобы его самая низкая выходная частота была бы равна целочисленному делителю 120 Гц, а для коммутирования напряжения переменного тока (при пересечении нуля) по логическим сигналам используется твердотельное реле (или симистор).
Обратите внимание, что последние три способа преобразования основывались на усреднении во времени, в то время как методы на основе цепной резисторной схемы и источников тока, по существу, «мгновенны». Усредняет ли преобразователь входной сигнал или преобразует отсчеты мгновенно имеет, на самом деле, большое значение.

ЦАП с умножением

Большинство из ранее рассмотренных способов можно использовать для построения ЦАП с умножением, в которых выход равен произведению входного напряжения (или тока) на входной цифровой код. В ЦАП с масштабируемыми источниками тока можно, например, отградуировать все внутренние источники тока с помощью входного программирующего тока. Умножающие ЦАП можно выполнить на ЦАП, которые не имеют внутреннего опорного источника, используя вход опорного напряжения для входного аналогового сигнала. Однако для этой цели пригодны не все ЦАП, поэтому следует изучить внимательно их паспортные данные. В паспортные данные на ЦАП с хорошими «множительными» свойствами (широкий диапазон входного аналогового сигнала, высокая скорость и т. п.) в верхний правый угол обычно вносится пометка «умножающий ЦАП». Примерами 12-разрядных умножающих ЦАП являются AD7541,    7548,    7845   и   DAC1230.

Умножающие ЦАП открывают возможности для логометрических измерений и преобразований. Если некоторый датчик (например, резистивный датчик типа термистора) питается от эталонного напряжения, которое подается также на А/Ц- или Ц/А-преобразователь в качестве опорного напряжения, то изменения эталонного напряжения не повлияют на результаты измерений. Эта идея чрезвычайно плодотворна, поскольку позволяет проводить измерения и управление с точностью, превышающей стабильность эталонного источника напряжения или источника питания. Или, наоборот, смягчить требования по стабильности и точности источника питания.

Логометрический принцип в своей простейшей форме используется в классической мостовой схеме, где за счет сведения к нулю разностного сигнала между двумя выходами делителей напряжения устанавливается равенство двух отношений. Схемы типа 555 позволяют добиться хорошей стабильности выходной частоты при значительных изменениях напряжения питания. Это достигается благодаря применению логометрической схемы: напряжение на конденсаторе, формируемое с помощью RС-цепочки от источника питания, сравнивается с фиксированной долей напряжения питанияЦифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Результирующая выходная частота будет зависеть только от постоянной времени RС-цепи.

Выбор ЦАП

В качестве справочного материала, необходимого для выбора ЦАП для конкретного применения, приводится таблице 1, в которой перечислены самые типичные ЦАП различной скорости и точности. Этот список включает наиболее распространенные преобразователи и некоторые более современные приборы, предназначенные для замены.
При поиске ЦАП для конкретного применения следует всегда помнить о некоторых наиболее важных моментах:

а) точность;
б) быстродействие;
в) точность установки (требуется ли внешняя подстройка?);
г) входная структура (память? КМОП/ТТЛ/ЭСЛ-совместимость?);
д) опорный источник (внутренний, внешний?);
е) выходная структура (токовый выход? размах выхода? выход по напряжению? диапазон?);
ж) необходимые напряжения питания и мощность рассеивания;
з) корпус (желательно с малым числом выводов «узкий DIP» шириной 0,3 дюйма);
и) цена.

Таблица 1. Цифро-аналоговые преобразователи

ТипЗамечанияИзготовительКоличество в корпусеЧисло разрядовПамятьТок или напряжение?Быстродействие до СЗР/2, нсПолярностьОрганизация входаКорпус (только DIP)Uпит, ВIпит, мАОпорный источникПодстройкаУмножающийУвеличенный размах выхода, ВНизкий уровень выбросов? 
AD9702Для цветного видеомонитора; ЭСЛ или ТТЛAD341I51224± 61,8 ВтВнешн.4,2+
AD7225Сдвоенный с буферами; 7226 - одинарный с буферомAD482U500+4x824S+ 1510Внешн.Н
AD558Полный, прост в примененииAD181U1000+8165-1515Внутр.Н
DAC0830Разводка выводов как у 12- разрядного DAC 1230NS182I1000М8205-152от 0 до ±25Н++
DA7528Сдвоенный, прост в примененииAD281I350М8205-150,1от 0 до±25Н+
DAC8408Допускает считывание буферовPM481I190М4x828+ 50,05Внешн.Н+
Bt-110ОктальныйВТ881I100+840+ 530Внутр.+
AD7524Умножающий ЦАП по пром. стандартуAD181I100М8165-150,1от 0 до ± 10Н+
DAC-08Устаревший; пром. стандартAD18I85816±5+2, -6Внешн.28
Bt-453Палитра 256 х 24; от 256 до 16 М цветовВТ381I15+840+ 5160Внешн.
HDG0807Для видеомонитора, выход 75 ОмAD18U14+824+ 5185Внутр.Н
TDC1018Для видеомонитораTR181I10824-5,2100Внешн.4+
AD9768Входы ЭСЛAD18I5818?±5+15, -70Внутр.Н
TDC1318Для цв. видеомонитора с выс. разр.; много вторичн. ист.TR381I53x840-5,2200Внутр.Н
TQ6112Арсенид галлия; сверхбыстрыйTQ181U1844-3,5; -93,5 ВтВнешн.+
IDT75C29TD191I8924+ 580Внешн.
DAC1000Сдвоенный с буферами;NS1102I500М8 + 2205-120,5от 0 до ±25Н+
AD7248Можно использовать с одним ист. пит; выход +5В оп.AD1122U5000±8+420±155Внутр.Н
AD7537AD2122I1500М8+424S+ 155Внешн.Н
AD7548AD1122I10008+4205-151от 0 до ±25Н+
DAC1230Разводка выводов как у DAC0830NS1122I10008+420+ 151,2от 0 до ±25Н+
AD568AD112I35±1224±15+30,-8Внутр.++
AD75347535, 6, 8 имеют 14-разрядную шинуAD1142I15008+420+15;-0,30,5от 0 до ±25++
AD569AD1162U60008+828±12±6±5Н+
DAC71/72Пром. стандарт; Uвых - 3 мкс116I1000±1624+5,±15+10, -30Внутр.+11
PCM54Цифровая звукотехника, дешевый; Uвых - 3 мксBB116I350±1628±5-±15±13Внутр.Н+
DAC729Uвых - 4 мкс; для 18 разр.- 4 млн. долиBB118I3001840+5, +1518,+30,-40Внутр.+6

Примечания:  — умножающий,  — узкий DIP,  — подстройка не требуется

К началу ↑