Цифро-аналоговые преобразователи - Типы преобразователей

Задача заключается в преобразовании величины, которая задана двоичным (или многозначным двоично-десятичным) числом в пропорциональный уровень напряжения или тока. Приведем ряд наиболее распространенных методов.

Подключение масштабирующих резисторов к суммирующей точке

Соединяя набор резисторов с точкой суммирования операционного усилителя, мы получим выходной сигнал, пропорциональный сумме входных напряжений с учетом весовых коэффициентов (рис. 9.36). Напряжение на выходе этой схемы изменяется от нуля до --10 В, причем максимальное напряжение на выходе соответствует входному числу 64. На самом деле максимальное число на входе всегда равно 2n-1, то есть всему множеству битов без 1, или 63; при этом выходное напряжение равно --10*63/64. Путем соответствующего выбора резистора обратной связи можно добиться, чтобы выходное напряжение изменялось от нуля до -- 6,3 В (то есть выходное напряжение 1 В эквивалентно 1/10 входного кода). Если добавить инвертирующий усилитель или подать постоянное смещение в точку суммирования, можно получить выход положительной полярности. Изменяя должным образом величины входных резисторов, можно получить преобразование многозначного двоично-десятичного кода или любых других взвешенных кодов. Подаваемые напряжения должны иметь точно фиксированные опорные уровни, а резисторы меньших номиналов должны иметь соответственно большую точность. Принимая внимание, что ключи реальных схем выполняются на биполярных или полевых транзисторах, заметим, что сопротивление ключа должно составлять менее чем 1/2nот сопротивления самого низкоомного резистора.

Многозвенная цепная схема R--2R

Интересным вариантом предшествующей схемы является многозвенная цепная схема типа R--2R; она непосредственно формирует выходное напряжение, используя набор резисторов только двух номиналов (рис. 9.37). Выходное напряжение приведенной схемы изменяется от нуля до +10 В, а конечное значение выходного сигнала соответствует входному числу 16 (для максимального входного кода 15 выходное напряжение также составляет 10*15/16). С некоторыми изменениями схему R--2R можно использовать для преобразования двоично-десятичного кода.

Применение масштабирующих источников тока

При данном методе преобразования входной двоичный код управляет включением источников, генерирующих токи, в соответствии с их весовыми коэффициентами (рис. 9.38). Эти токи суммируются, в суммарный ток либо непосредственно используется в качестве выходного, либо преобразуется в напряжение посредством операционного усилителя. Масштабные токи формируются при помощи транзисторов и набора масштабных резисторов соответствующих номиналов или при помощи резистивной матрицы многозвенного типа; выбор зависит от специфики преобразователя. Для устройств с токовым выходом напряжение на выходе может изменяться от 0,5 В (для некоторых типов, например 1406) до 25 В и более (например, DАC-08). Выходы могут быть рассчитаны как на режим отвода, так и отдачи тока. В большинстве преобразователей этого типа источники тока фактически все время включены, а их выходные токи коммутируются в зависимости от значения входного кода на землю или на выходную шину. Это обеспечивает повышение точности и быстродействия, а ключи легко реализуются на транзисторах или диодах (рис. 9.39). В первой схеме источника тока промасштабированы с помощью резисторной цепной схемы, а их выходы подключаются к выходной шине или к шине U+ в зависимости от значения входного цифрового сигнала. Площади эмиттерных переходов транзисторов соотносятся, как показывают цифры на рисунке, что позволяет обеспечить постоянную плотность эмиттерных токов. Операционный усилитель с транзистором Топ формирует отрицательное опорное напряжение для смещения источников тока, задавая соответствующее значение UБЭ. Стабильное положительное опорное напряжение +Uоп можно получить от внутреннего, либо от внешнего источника. Это напряжение используется для получения коллекторного тока транзистора Топ, равного Iк= Uоп /Rоп, следовательно, стабильного напряжения на эмиттере относительно U_. Транзисторы ТА-ТГ, которые обеспечивают необходимые двоично-взвешенные токи, получают требуемое напряжение смещения за счет того, что потенциал базы выше потенциала эмиттера на величину UБЭ. Сама по себе схема ключа предельно проста. Каждый ключ, как показано на рисунке, состоит из двух npn-транзисторов. База одного из них соединена с опорным источником, напряжение которого должно на несколько вольт превышать базовый потенциал транзистора, образующего источник тока. Этот ключ можно рассматривать, как пару каскадно-включенных транзисторов, причем эмиттерный ток протекает к коллектору того транзистора, который имеет более высокий потенциал базы. Напряжение управления ключа (подаваемое на базу транзистора Т1) имеет размах, уровни которого лишь на доли вольта выше или ниже напряжения на базе транзистора Т2 за счет достигается полная коммутация тока. Такой ключ отличается высоким быстродействием и обеспечивает широкий диапазон выходного напряжения. Вторая схема даже проще первой, за счет использования диодных ключей. Выходные токи отдельных источников в соответствии с управляющим напряжением, приложенным к катодам полевых (по схеме) диодов, протекают на выходную шину (через правые диоды каждой пары) или ответвляются в левые диоды. Эта схема обладает сравнительно узким выходным диапазоном, так как управляющее напряжение должно иметь больший размах, чем диапазон выходного напряжения, но зато обеспечивает очень высокое быстродействие; даже дешевле ЦАП (дешевле 10 долл.) с токовым выходом имеют время установления меньше 100 нс

Формирование выходного сигнала напряжения

Существует несколько способов, с помощью которых для ЦАП с выходом по току организуется выход по напряжению. Некоторые способы показаны на рис. 9.40. Если емкость нагрузки невелика и большие значения выходного напряжения не требуются, достаточно включить резистор на землю. Для того чтобы получить полную шкалу выходного напряжения 100 мВ при выходном сопротивлении100 Ом и обычной шкале выходного тока 1 мА, требуется резистор нагрузки с сопротивлением 100 Ом. Если емкость выхода такого ЦАП не превышает совместно с емкостью нагрузки 100 пФ, полученное быстродействие можно характеризовать временем установления 100 нс. Рассматривая влияние постоянной времени RC-цепи на реакцию выхода ЦАП, не следует упускать из виду, что выходное напряжение установится с точностью до? МЗР за время, составляющее несколько постоянных времени. Например, время установления выхода с точностью 1/2048 для 10-разрядного преобразователя будет составлять 7,6RС. Для того чтобы получить большой диапазон выходного напряжения или согласовать выход с низкоомной нагрузкой или с нагрузкой, имеющей большую емкость, можно использовать схему с операционным усилителем (усилитель тока с выходом по напряжению), как показано на рис. 9.40, 6. Конденсатор, подключенный параллельно резистору обратной связи, нужен для того, чтобы обеспечить устойчивость, поскольку выходная емкость ЦАП в комбинации с сопротивлением обратной связи составляют фазосдвигающую цепь; это, к сожалению, снижает быстродействие усилителя. Рассмотренная схема имеет одну интересную особенность: для того чтобы обеспечить высокое быстродействие даже недорогого ЦАП, нужен относительно дорогостоящий быстродействующий операционный усилитель. Практически последняя схема (в) обеспечивает лучшие характеристики, так как ей не нужен компенсирующий конденсатор. Нужно внимательно относится к напряжению сдвига, так как оно усиливается в 100 раз операционным усилителем. Стандартные модули ЦАП обладают точностью от б до 18 бит и временем установления от 25 нс до 100 мкс (для ЦАП с наивысшей точностью). Цены колеблются от нескольких долларов до нескольких сотен долларов. Типичный, повсеместно используемый 12-разрядный преобразователь DАС-8О (со встроенным опорным источником) стоимостью 20 долл. имеет при выходе по напряжению время установления 3 мкс, а при выходе по току -- 0,3 мкс.

Интегрирующие ЦАП

Преобразователи частоты в напряжения.

Иногда в качестве "цифрового" входа преобразователя может выступать последовательность импульсов или каких-либо других периодических сигналов некоторой частоты. В этом случае может оказаться удобнее производить прямое преобразование в напряжение, а не кодирование частоты с последующим преобразованием полученного числа при помощи рассмотренных методов. При прямом преобразовании частоты в напряжение на каждом такте входного сигнала формируется импульс напряжения или тока фиксированной величины (то есть фиксированный заряд). Импульсная последовательность усредняется при помощи интегратора или RС-фильтра низкой частоты, и полученное выходное напряжение оказывается пропорциональным средней входной частоте. Конечно, на выходе получаются пульсации, и для того, чтобы снизить их до уровня точности Ц/А - преобразования (то есть до 1/2 МЗР), необходимо установить фильтр низкой частоты, который в свою очередь замедляет выходную реакцию преобразователя. Для того чтобы выходные пульсации не превышали? МЗР, постоянная времени Т простого RС-фильтра нижних частот должна быть не менее Т=0,69(n+1)Т0, где Т0 -- период выходного сигнала n - разрядного преобразователя частоты в напряжение, соответствующий максимальной входной частоте. При изменении частоты входного сигнала в диапазоне полной шкалы сигнал на выходе RС - цепи достигает уровня 1/2 МЭР за время, равное 0,69 (n + 1) от постоянной времени фильтра. Другими словами, время установления по выходу на уровне МЗР составляет примерно t =0,5 (n + 1)2Т0 . Десятиразрядный преобразователь частоты в напряжение с максимальной входной частотой 100 кГц при использовании сглаживающего RС-фильтра обеспечивает время установления выходного напряжения 0,6 мс. Применяя более сложные фильтры низкой частоты (с крутым спадом), можно получить лучшие характеристики. Однако в большинстве случаев выход по напряжению для преобразователя частоты не требуется.

Широтно - импульсная модуляция

При этом виде модуляции производится формирование последовательности импульсов фиксированной частоты, длительность которых пропорциональна входному коду. Это легко сделать: при помощи счетчика, компаратора и высокочастотного генератора тактовых. Здесь также можно использовать простейший фильтр нижних частот и получить напряжение на выходе, пропорциональное усредненному времени действия импульса, т. е. входному цифровому коду. Однако чаще всего такое Ц/А - преобразование используется в тех случаях, когда в качестве нагрузки применяется система с очень медленной реакцией. В это случае широтно-импульсный модулятор вырабатывает точные порции энергии, которые усредняются нагрузкой. Так, например, нагрузка может быть емкостной, термической (термостатированная ванна с нагревателем), механической (сервопривод лентопротяжки) пли электромагнитной (крупный электромагнитный исполнительный механизм).

Усредняющий умножитель частоты

Для построения простого ЦАП можно использовать умножитель (делитель) частоты. С его помощью входной параллельный код, двоичный или двоично-десятичный, преобразуется в среднюю частоту следования импульсов. Как и в рассмотренном выше преобразователе частоты в напряжение, простым усреднением можно получить постоянное выходное напряжение, пропорциональное входному коду. При этом результирующая постоянная времени будет довольно значительной, так как время усреднения на выходе умножителя частоты должно быть равно наибольшему периоду выходного сигнала умножителя. Умножители частоты целесообразно использовать в ЦАП, если нагрузка существенно инерционна. Такие преобразователи, по-видимому, лучше всего пригодны для построения цифровых систем регулирования температуры, в которых по каждому импульсу с выхода умножителя частоты на нагреватель подается полный период сетевого напряжения. В этом случае умножитель должен быть построен таким образом, чтобы самая низкая частота его выходного сигнала была бы кратна 120 Гц Для коммутации и сетевого напряжения используются твердотельные реле ( триаки) , управляемые логическими сигналами.

ЦАП с умножением

Большинство методов пригодны для построения "множительных ЦАП", выходной сигнал которых равен произведению входного напряжения или тока на входной цифровой код. Например, в ЦАП с градуируемым источником тока выбор внутреннего источника можно производить путем программирования входного тока. Преобразователь без собственного опорного источника можно превратить в множительный ЦАП, используя входной аналоговый сигнал (сомножитель) в качестве опорного. Однако для этой цели пригодны не все ЦАП, поэтому следует внимательно изучать их паспортные данные. Документация на ЦАП, имеющие подходящие для этого случая характеристики (широкий диапазон входного аналогового сигнала, высокое быстродействие и т. п.), обычно снабжается пометкой "умножающего ЦАП". Таковы, например, 12-разрядные множительные ЦАП АD7521, DАСЗ4З, DАС921 и 562 сто от 10 до 20 долл. Множительные ЦАП (так же, как и АЦП) дают возможность производить логометрические измерения и преобразования. Если какой-нибудь датчик (например, термистор) подключить к напряжению питания, которое одновременно используется для формирования опорного напряжения ЦАП или АЦП, изменение этого напряжения не скажется на результате измерения. Это позволяет достичь значительно большей точности измерений или управления, чем это может обеспечить стабильность источника питания или опорного напряжения, или, наоборот, снизить требования к стабильности и точности источника. Логометрический принцип в своей простейшей форме применяется в классической мостовой схеме, где путем регулировки двух отношений приравнивается нулю дифференциальный сигнал, взятый с двух выходов делителей напряжения. За счет логометрирования достигается высокая выходная стабильность частоты при сильных изменениях напряжения питания. Напряжение на конденсаторе СR-цепи, подключенной к источнику питания Uкк, сравнивается с фиксированным значением, полученным от того же источника (? Uкк или? Uкк) Результирующая выходная частота зависит только от постоянной времени RС-цепи.

Похожие статьи




Цифро-аналоговые преобразователи - Типы преобразователей

Предыдущая | Следующая