ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Наличие цифровых и аналоговых средств обработки сигналов обусловлено существованием двух основных качественно различных способов представления информации.

В аналоговой технике сигналы представляются в виде непрерывных переменных, в цифровой - в виде дискретных двоичных сигналов, т. е. комбинацией нулей и единиц. Во многих случаях требуется обеспечить взаимодействие аналоговых и цифровых устройств, для чего необходимо преобразование цифровой формы информации в аналоговую и наоборот. Такое преобразование осуществляется" цифро-аналоговыми (ЦАП) и аналого-цифровыми (АЦП) преобразователями- ( U/x)

В естественном состоянии все переменные (такие, как ток, напряжение, давление, линейный размер, время и т. д.) представляются в аналоговой форме. Однако в процессе вычисления и передачи сигналов они часто представляются в цифровой форме. Поэтому аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи можно рассматривать как специфические кодирующие и декодирующие устройства. На рис. 10-1 преобразователи этих двух типов представлены в самом общем виде. Входным сигналом ЦАП является "цифровое «слово», содержащее определенное количество двоичных разрядов, а в качестве выходного сигнала служит аналоговый сигнал - напряжение, величина которого однозначно соот-

ЦифпоБой Вход га

{вВ СОЧНЫЕ

цифры) f.

ветствует входному слову. Наоборот, аналоговый сигнал, поданный на вход АЦП, вызывает появление на его выходе цифрового .слова, имеющего определенное количество двоичных разрядов. В устройствах согласования цифровых и аналоговых систем часто требуется обеспечивать очень точное согласование элементов и соответствие их характеристик и параметров. Особенно жесткие требования в этом смысле предъявляются к элементам ЦАП, поскольку точность аналогового выходного сигнала должна обеспечиваться в щироком диапазоне температур.

В настоящее время известно большое количество разновидностей ЦАП и АЦП. Целью данной главы является анализ некоторых разновидностей устройств с точки зрения их соответствия требованиям интегральной технологии и главным образом монолитной интегральной технологии. Поскольку между ЦАП и АЦП имеются существенные различия, данная глава разделена на две части, в одной из которых рассматриваются ЦАП, а в другой - АЦП. Являясь двойственным по принципу действия, ЦАП имеет больше общего с аналоговыми устройствами, а АЦП - с цифровыми. Кроме того, ЦАП в целом в большей степени соответствуют требованиям монолитной интегральной технологии. Поэтому большая часть главы посвящена описанию методов и устройств для цифро-аналогового преобразования.

ДнажеоВый Вход

Аналоговый Выход

Цифровой Выход {дВпичиыв цифры)

Рис. 10-1. Структурные схемы устройств для согласования цифровых и аналоговых систем ЦАП (с) и АЦП (б).

ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

10-1. ПРИНЦИПЫ ЦИФРО-АНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Цифро-аналоговый .преобразователь можно рассматривать как декодирующее устройство, в результате воздействия на вход которого цифрового сигнала D и эталонного сигнала Р на выходе формируется аналоговый сигнал А, связанный со входными сигналами соотнощением

A=PD.

(10-1)

Сигнал D представляет собой цифровое слово, содержащее определенное количество двоичных разрядов. Он может быть представлен в виде

= +1 (10-2)

где N - общее количество двоичных разрядов; 6i, 62, ..., 6jv - коэффициенты соответствующих двоичных разрядов, которые могут принимать дискретные значения «нуль» или «единица».

Итак, обобщенная передаточная функция ЦАП через эталонный сигнал произвольной величины Р и выходной аналоговый сигнал А может быть выражена следующим образом:

=-P(bi-2-i-f62-2-2+ ...

... 4-bi-2-w).

(10-3)

Практическая схема ЦАП обычно содержит четыре отдельных узла: источник эталонного сигнала (обычно напряжения), соответствующего параметру Р в выражении (10-3); набор двухпозиционных ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов bi, Ъг, ....

Ьл-; резистивную токозадающую цепь; выходной сумматор. Практическая схема ЦАП, содержащая все. четыре основных узла, приведена на рис. 10-2. В этом случае относительные веса разрядных токов /1, h, .... In задаются при помощи ма-

трицы весовых резисторов, величины сопротивлений которых удваиваются при переходе от старшего разряда к младшему. Инвертирующий операционный усилитель с большим входным сопротивлением и большим коэффициентом усиления Ai используется для сум1Миро-вания отдельных разрядных токов и для форм.ирования соответствующего аналогового напряжения. Суммарный аналоговый ток /о, подтекающий к сум1мирующей точке, т. е. к инвертирующему входу операционного усилителя, с эталонным напряжением /7эт связан следующим соотношением:

(6,.2-

+ 6а-2-+...+:б„.2-1, (10-4)

где bi, 62, 4 -Двоичные коэффициенты, принимающие значение «1» или «О» в зависимости от того, в каком положении {1 или 2) находятся соответствующие ключи /С,,ч изображенные на рисунке.

Выходное напряжение t/вых пропорционально току /о:

f/biK = ~ /oi?c.c = - t/зт (6. 2-

... + 6-2-), 5(10-5)

где i?o.c-сопротивление обратной связи операционного усилителя, ко-

¥7

Ro=R/Z

Рис. 10-2. Схемы ЦАП с ключами напряжения (с), и с токовыми ключами (б).

торое определяет коэффициент масштабирования; для удобства принято: /?о.с = /?/2.

Как следует из выражения (10-5), при заданном количестве двоичных разрядов N выходное напряжение может принимать 2 дискретных значений в диапазоне от нуля до максимальной величины:

(вых)макс -

2-1 \

(10-6)

<с минимальным шагом

г/эт/2. (10-7)

Значения разрядных коэффици--ентов определяются положениями .соответствующих ключей, показанных на рисунке. В схеме могут применяться либо ключи, коммутирующие ток (токовые ключи), либо -ключи, коммутирующие напряжение (ключи напряжения), причем состояние ключей определяется входным цифровым сигналом. В схеме рис. 10-2,а используются ключи -напряжения. При этом изменяется напряжение на весовых сопротивлениях от нуля, когда они соединяются с землей, до f/эт, когда они подключаются к источнику эталонного напряжения. На рис. 10-2,6 приведена схема ЦАП, в которой -применена другая цепь коммутации, при которой один вывод каждого из весовых сопротивлений постоянно подключен к источнику эталонного -напряжения. Другой вывод соединяется либо с фактической землей (положение 1), либо с квазиземляной точкой, являющейся входом операционного усилителя. Такой способ 1Коммутации называется «токовой коммутацией».

В большинстве случаев использования, а в интегральных схемах особенно, применяется токовая коммутация, поскольку она позволяет обеспечить большее быстродействие, чем коммутация напряжения. Между элементами, их выводами и проводниками имеются паразитные •емкости. Поэтому скачкообразное

изменение напряжения в какой-либо точке, возникающее в результате коммутации напряжения, вызывает возникновение переходных напряжений, которые должны затухнуть, прежде чем схема окажется в установившемся состоянии. При токовой коммутации, напротив, напряжения во iBcex точках остаются неизменными. Это позволяет уменьшить длительность коммутационных переходных процессов и соответствующие времена установления.

10-2. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Термины и определения

Показатели качества и конструктивные параметры ЦАП в значительной степени отличаются от со отв етству ющих ха р актер истик схем других классов, рассмотренных Д0 сих пор. Поэтому приведем определение некоторых основных параметров и терминов, используемых для оценки качества ЦАП.

Разрешающая способность. Характеризует возможное количество уровней аналогового сигнала. Обычно выражается в виде общего количества двоичных разрядов входного цифрового сигнала преобразователя. При разрешающей способности в jV двоичных разрядов преобразователь должен обеспечивать формирование выходного аналогового сигнала, имеющего 2 дискретных уровней.

Погрешность (точность). Представляет собой величину отклонения аналогового выходного сигнала от расчетного значения. Погрешность может быть выражена в процентах от полного диапазона изменения выходного сигнала Up или в виде количества двоичных разрядов с гарантированной точностью, или в виде части (обычно половины) наименьшего значащего разряда (НМЗР). Если гарантируется точность двоичных разрядов

ЦАП, то ма1нсимальная возможная