Основные схемы включения

1) Как видно из (2.9), выходное напряжение ЦАП при включении внешнего ОУ (рис. 2.4) пропорционально произведению дробного значения входного кода N и опорного напряжения U_оп:

Таким образом ЦАП можно использовать в качестве умножителя двух сигналов: цифрового и аналогового. Малая зависимость сопротивления открытого ключа на МОП-транзисторе от амплитуды и направления протекающего тока (линейный участок выходной характеристики) в КМОП-ЦАП позволяет изменять U_оп по амплитуде и знаку в пределах -17…17В. Если вторую функцию подать в цифровом виде на входы разрядов a₉…a₀, то на выходе ЦАП будет сигнал пропорциональный произведению аналогового и цифрового сигналов (перемножающий ЦАП). Таким образом с помощью основной схемы включения (рис. 2.4) можно реализовать двухквадрантное умножение. При этом используется двуполярный источник сигнала, подключаемый ко входу опорного напряжения U_оп и обычный n-разрядный двоичный код. Реальная схема двухквадрантного перемножителя на основе MAX5480 и внешнего ОУ приведена на рис. 2.8, б.

а) б)

Рис. 2.8. Структурная схема ЦАП MAX5480 (a) и схема двухквадрантного перемножителя на ее основе (б)

Р

Схема включения К572ПА1 в режиме двухквадратного умножения

ассмотренное свойство умножающего ЦАП используется также для усиления аналогового сигнала с переменным коэффициентом, когда коэффициент усиления аналогового сигнала модулируется входным цифровым кодом (усилитель с программируемым коэффициентом передачи). При этом усиливаемый аналоговый сигнал подается на вход U_оп (V_ref).

2) Умножающий ЦАП также может быть использован и для деления входного аналогового напряжения на число. Для этого его охватывают цепью отрицательной обратной связи (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Устройство деления аналоговой величины на код

3) До сих пор при описании ЦАП цифровая входная информация представлялась в виде чисел, не имеющих знака. Обработка чисел со знаком имеет определенные особенности. Обычно двоичные числа с любым знаком представляются с использованием дополнительного двоичного разряда. Например, с помощью 8 разрядов можно представить числа в диапазоне -128…+127 (дополнительный код). При вводе чисел в дополнительном коде в ЦАП путем прибавления 128 сдвигают этот диапазон до отрезка 0…255. Числа большие 128 при этом считаются положительными, а числа меньшие 128, – отрицательными. Среднее значение 128 соответствует нулю. Такое представление чисел, имеющих знак, через положительные числа называют сдвигом двоичного представления. Прибавление 128 можно очень просто связать с отрицанием знакового разряда. В общем случае для n-разрядного ЦАП отрицается старший (знаковый) разряд a_n-1.

Чтобы после этого получить при цифро-аналоговом преобразовании выходное напряжение с правильным знаком, необходимо осуществить обратный сдвиг путем вычитания половины максимального тока I/2 (максимального выходного напряжения).

Рассмотрим схему рис. 2.4. Как видно из схемы:

Найдем разность токов I_s=2I_вых–I=2(I_вых-I/2):

При 0  I_вых < I/2, входной код А=0…2^(n-1)-1 (000…000 – 011…111, т.е. a_n-1=0)

Суммарный ток I_s = -I…-I/2^(n-1) I_smax = 2(I(2^(n-1)-1)/2ⁿ-I/2) =-I/2^(n-1)

При I/2  I_вых < I, входной код А=2^(n-1)…2ⁿ-1 (100…000 – 111…111, т.е. a_n-1=1)

Суммарный ток I_s = 0…I(1-1/2^(n-1)) I_smax = 2(I(2ⁿ-1)/2ⁿ-I/2) = I-I/2^(n-1)

Таким образом, суммарный ток I_s прямо пропорционален входному двоичному числу, представленному в дополнительном коде, если проинвертировать старший разряд входного кода a_n-1. Исходя из вышеприведенных рассуждений схема четырехквадрантного умножения выглядит как показано на рис. 2.10.

а) б)

Рис. 2.11. Схемы включения К572ПА1 (а) и К572ПА2 (б) в режиме четырехквадратного умножения

В этой схеме либо R₁=R2ⁿ, а R₂ – любое; либо R₁/R₂=2ⁿ и R₂=R. Если пренебречь током единицы младшего разряда в последнем плече резистивной матрицы (см. рис. 2.4), то R₁ может отсутствовать, при этом R₂ – любое. Такая схема четырехквадрантного умножения и приведена на рис. 2.11 для БИС К572ПА1, 2. Очевидно, что при такой схеме включения получение на выходе нулевого напряжения невозможно.

Отметим, что для представления чисел со знаком на входе ЦАП при цифро-аналоговом преобразовании часто используют двоичный смещенный код, который получается из дополнительного кода числа путем отрицания старшего разряда. При этом в схеме рис. 2.10 инвертор на входе старшего разряда не нужен. Отрицательные числа при представлении их двоичным смещенным кодом имеют старший разряд равный 0, положительные – 1, остальные разряды совпадают с дополнительным кодом числа.

Еще один вариант схемы четырехквадрантного перемножителя представлен на рис. 2.12. В этом случае результирующее выходное напряжение U_вых:

На рис. 2.13 представлена реализация четырехквадрантного перемножителя на базе ИМС ЦАП MAX5480. Здесь использована схема четырехквадрантного умножения, представленная на рис. 2.12.

Рис. 2.13. Схема четырехквадрантного умножения на основе ЦАП MAX5480