4. Цифро-аналогові і аналогово-цифрові перетворювачі

4.1. Цифро-аналогові перетворювачі (цап)

ЦАП – це пристрої перетворення цифрового коду (як правило, двійкового) в пропорційне йому значення аналогової величини (напруги або струму).

4.1.1. Принципи побудови мікроелектронних цап

З метою використання єдиного джерела опорної напруги перевагу віддають додаванню еталонних струмів, величини яких пропорційні вагам двійкових розрядів.

Використовуються два способи формування еталонних струмів з одним джерелом опорної напруги:

а) резистори мають опори, які відносяться як степені двійки (рис. 4.1):

Рис. 4.1

З точки зору мікросхематичного виконання така схема не є оптимальною, оскільки номінали резисторів відрізняються у разів і виникають складності з забезпеченням точності виконання опорів.

б) резистори мають номінали лише R або 2R та з’єднуються у матрицю R-2R (рис.4.2):

Рис. 4.2

Еталонні струми формують за допомогою матриці R-2R, точність параметрів якої легко забезпечити у технологічному процесі виготовлення мікросхеми.

Включення певного еталонного струму в загальну суму відбувається за допомогою транзисторного ключа, який управляється відповідним розрядом коду .

З метою забезпечення незалежності вихідного опору резистивної матриці з ключами від керуючого коду, ключі виконують двохпозиційними: в одному з положень ключ комутує еталонний струм у загальну суму струмів , в іншому положенні замикає відповідний резистор на землю (рис.4.3).

Якщо потенціали точок і близькі, то вихідний опір резистивної матриці з ключами не залежить від величини коду.

Підсилювач-інвертор (ПІ) (рис.4.4) забезпечує формування сигналів управління та протифазний режим комутації транзисторів.

Рис. 4.3 Рис. 4.4

Для забезпечення рівних потенціалів точок і та перетворення сумарного струму у вихідну напругу застосовують ОП (DA1), на (рис. 4.5):

Рис. 4.5

З метою забезпечення стабільності коефіцієнта передачі виконується у єдиному технологічному процесі з опорами матриці R-2R та включається досередини мікросхеми ЦАП.

4.1.2. Функціональна схема цап

Функціональна схема ЦАП приведена на рис. 4.6.

Рис. 4.6

ДОН – джерело опорної напруги. Використовується паралельний код.

Алгоритм управління ключами полягає у наступному:

Якщо то відповідний i-й ключ під’єднаний до правого затискача, якщо то до лівого.

де управляючий код; розрядність коду; .

Вихідна напруга визначається виразом:

Мінімальна вихідна напруга:

Максимальна вихідна напруга має місце коли значення усіх кодових розрядів дорівнює одиниці :

Крок квантування – це приріст вихідної напруги, що відповідає зміні управляючого коду на одиницю:

Приклад реалізації – мікросхема К572ПА1, кількість розрядів В, В.

Послідовні ЦАП, що перетворюють в напругу послідовний код, побудовані на основі пристроїв вибірки-збереження.

4.1.3. Пристрої вибірки-збереження

Виконують функцію перетворення миттєвого значення вхідної напруги за наступними алгоритмами:

1. в режимі відслідковування (вибірки): − повторюють миттєве значення вхідної напруги.

2. в режимі запам’ятовування (збереження): .

момент часу переходу з режиму відслідковування до режиму запам’ятовування.

3) в момент часу відбувається перехід від режиму запам’ятовування до режиму відслідковування. При цьому в ідеальному ПВЗ вихідна напруга стрибком змінюється до нового значення вхідної напруги (рис. 4.7).

Рис. 4.7

Розрізняють ПВЗ інвертуючого та неінвертуючого типів.