11.2. Цап лестничного типа

Схема ЦАП лестничного типа приведена на рис. 11.2. Она состоит из резистив-ной матрицы R-2R, напоминающей лестницу, и суммирующего усилителя. Преимущество такого соединения резисторов заключается в том, что используются резисторы только двух номиналов. Сопротивление каждого из резисторов R1...R5 равно 20 кОм, а резисторов R6...R8, Ro — 10 кОм. Отметим, что сопротивления горизонтально расположенных резисторов "лестницы" ровно в 2 раза больше сопротивлений вертикальных.

ЦАП лестничного типа аналогичен ЦАП с весовыми резисторами. В рассматриваемом примере используется опорное напряжение 3,75 В. Переход к каждой следующей двоичной последовательности на входах приводит к увеличению аналогового выходного сигнала на 0,25 В. Опорное напряжение выбрано равным 3,75 В из соображения удобства сопряжения с ИМС семейства ТТЛ при замене ключей A...D такими ИМС.

Выходное напряжение ЦАП на рис. 11.2 определяется по формуле [32]:

(11.1)

где S,— значение цифрового сигнала (0 или 1) на i-м входе, n — число разрядов преобразования (для схемы на рис. 11.2 n = 4), R — сопротивление резистора матрицы R-2R (R = 10 кОм для схемы на рис. 11.2).

Вариант ЦАП с использованием в качестве коммутирующего устройства двоично-десятичного счетчика 74160 (К155ИЕ9) показан на рис. 11.3.

Из сравнения ЦАП на рис. 11.2 и 11.3 видно, что во втором отсутствует источник опорного напряжения — его роль выполняет сам счетчик-коммутатор. Эквивалентное значение Uon можно получить на основании формулы (11.1) и результатов осциллографических измерений, показанных на рис. 11.4. В частности, максимальное выходное напряжение ЦАП VB2=-2,8125 В, минимальное — VB1=-0,3125 В, их разность — VB2-VB1=-2,45 В.

Контрольные вопросы и задания

1. Чем отличается ЦАП лестничного типа от ЦАП с весовыми резисторами?

2. С помощью формулы (11.1) рассчитайте выходное напряжение ЦАП на рис .11.2 для всех 16 комбинаций переключателей А, В, С, D и сравните полученные результаты с результатами моделирования.

3. Замените переключатели А, В, С, D в схеме на рис. 11.2 программными переключателями, имитирующими последовательное во времени с интервалом 5 с появление кодовых комбинаций 0001, 0010, 0100 и 1000.

4. Используя формулу (11.1) и результаты моделирования, рассчитайте эквивалентное напряжение Uon для схемы на рис. 11.3.

11.3. Ацп прямого преобразования

АЦП прямого преобразования являются наиболее простыми и часто встраиваются непосредственно в датчики. Рассмотрим в качестве примера преобразователь постоянного положительного напряжения в частоту (рис. 11.4, а).

АЦП выполнен на двух ОУ, усилитель OU1 включен в режиме интегратора, а усилитель OU2 — в режиме регенеративного компаратора с гистерезисом. Когда выходное напряжение компаратора Uf имеет максимальное положительное значение Ui, диод VD смещен в обратном направлении и напряжение Us на выходе OU1 (см. осциллограммы на рис. 11.4, б) уменьшается по линейному закону со скоростью, определяемой амплитудой входного положительного сигнала Ui, до тех пор, пока не достигнет значения UiRl/R2. В этот момент компаратор переключается в другое состояние, при котором напряжение на его выходе равно максимальному отрицательному значению Us, диод VD открывается и выходное напряжение интегратора быстро нарастает до значения U2R1/R2. При этом компаратор возвращается в первоначальное состояние и цикл повторяется.

Так как время нарастания выходного напряжения интегратора значительно меньше времени спада, которое обратно пропорционально амплитуде входного сигнала, частота циклов повторения F будет прямо пропорциональна входному напряжению. Пренебрегая собственным временем переключения компаратора, можно записать следующее выражение для частоты выходных импульсов:

(11.2)

На самом деле размах напряжения Us на выходе OU1 несколько больше величины (R1/R2)(U1-U2) из-за отличного от нуля значения времени переключения компаратора, а частота соответственно меньше значения, определяемого выражением (11.2), причем это расхождение будет особенно значительным при больших амплитудах входного сигнала.

С указанными на рис. 11.4, а номиналами элементов схема должна обеспечивать линейность преобразования не хуже ±1% в диапазоне изменения входных напряжений 20 мВ...10 В, при этом частота выходных импульсов F должна изменяться от 20 Гц до 10 кГц [25].

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое АЦП прямого преобразования, в каких устройствах его целесообразно применять?

2. Проверьте работоспособность схемы на рис. 11.4, а и исследуйте зависимость частоты выходного сигнала от входного напряжения в диапазоне 20 мВ...10 В. Проверьте справедливость формулы (11.2).