4.1 Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – функциональный узел, однозначно преобразующий кодовые комбинации цифрового сигнала в значения аналогового сигнала. Основой для нахождения однозначного соответствия может служить напряжение на выходе ЦАП

,

где U_оп– опорное напряжение;X{х₁,х₂, ....х_n} – цифровой код;хпринимают значения 0 или 1.

При определенном U_опкаждомуX_iна выходе устройства соответствует напряжениеU_выхi.

В цифро-аналоговых преобразователях используют три основных двоичных кода: прямой, смещенный, дополнительный. Графики соответствия цифровых кодов Х_вхи аналогового напряженияU_выхпри прямом (а), смещенном (б) и дополнительном (в) кодах показаны на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Графики соответствия цифровых кодов и аналоговых напряжений

Наиболее просто определяется соответствие цифровых и аналоговых величин при прямом коде. Этот код удобен при преобразовании сигналов следящих систем, так как при переходе через нуль не меняются старшие разряды кода, что позволяет реализовать линейный переход от малых положительных к малым отрицательным выходным напряжениям. Для преобразования как положительных, так и отрицательных кодов используют знаковый разряд, который управляет переключением выходного напряжения ЦАП.

Для исключения коммутирующих элементов из схемы ЦАП используют смещенный код, являющийся наиболее простым для реализации в схеме преобразователя.

При применении дополнительного кода положительные числа преобразуются так же, как для прямого кода, а отрицательные – двоичным дополнением соответствующего положительного числа (инверсия всех разрядов с последующим добавлением единицы в младший разряд).

Из табл. 4.1, соответствующей рис. 4.1, видно, что прямой код дает возможность использовать в два раза большее разрешение по сравнению со смещенным и дополнительным кодами.

Таблица 4.1. Соответствие между кодом и выходным сигналом

Цифро-аналоговое преобразование состоит в суммировании эталонных значений напряжения, соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании будут участвовать только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит единица. Структурная схема ЦАП в общем виде показана на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Структурная схема ЦАП

Основными параметрами ЦАП являются:

1. Разрешающая способность, определяемая количеством двоичных разрядов входного кода и характеризующаяся возможным количеством уровней аналогового сигнала.

2. Точность, определяемая наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от расчетного. Она обычно выражается в виде половины уровня сигнала, соответствующего младшему значащему разряду (МЗР). Суммарная ошибка, вносимая элементами ЦАП, не должна превышать указанную погрешность квантования.

3. Нелинейность, характеризующаяся максимальным отклонением линейно-нарастающего выходного напряжения от прямой линии, соединяющей точки нуля и максимального выходного сигнала (обычно не выше ±1/2 значения МЗР).

4. Время преобразования (установления), определяемое интервалом времени от момента подачи цифрового сигнала до момента достижения выходным сигналом установившегося значения.

Как правило, ЦАП содержит резистивную матрицу, с помощью которой формируются выходные сигналы, пропорциональные входному коду; набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов; выходной усилитель и источник опорного стабилизированного напряжения. Кроме того, обычно в схему включают устройство, обеспечивающее согласование входа ЦАП с цифровыми микросхемами.