11.14. Цифро-аналоговые преобразователи
Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) служат для преобразования кода в пропорциональное ему напряжение или ток.
Если предположить, что регистр, хранящий
преобразуемый в напряжение код, состоит
из триггеров, на выходе которых состоянию
0 соответствует напряжение U0=0
В, а состоянию 1 - напряжение U1,
равное строго одинаковой величине для
любого из триггеров регистра, то в
качестве ЦАП может быть использована
схема сумматора, включенная так, как
показано на рис. 11.35а. Номинальные
значения резисторов R0, R1,
R2, R3 выбраны здесь таким образом, чтобы
масштабные коэффициенты соответствовали
весам разрядов. Заметим, что требования
к точности применяемых резисторов
достаточно жесткие, так как разброс
напряжений при включении любого из
разрядов должен быть, по крайней мере,
в 2 раза меньше напряжения, включаемого
младшим разрядом. В случае n
разрядного двоичного ЦАП это приводит
к условию (
,
что уже при n=10, т. е. при
1024 градациях напряжения на выходе,
составляет величину ~ 0,05 %
Рис. 11.35. Принцип построения АЦП на ОУ с триггерами, обеспечивающими стабильные перепады напряжения на выходе (а) и с электронными ключами (б)
Так как строгое постоянство перепадов напряжений непосредственно на выходах триггеров обеспечить достаточно трудно, то ЦАП строятся обычно с применением электронных ключей. В простейшем случае ключ представляет собой транзистор, переключаемый логическими нулем и единицей соответственно в состояние отсечки или насыщения. Принцип построения ЦАП того же типа, что и предыдущий (но на базе ключей и единого источника опорного напряжения), показан на рис. 11.35б.
Определенными достоинствами обладает ЦАП на так называемой сетке сопротивлений R - 2R, показанной на рис. 11.36а. Для его реализации при любой разрядности требуются прецизионные резисторы лишь двух номинальных значений. Более того, все токи, включаемые в сетку сопротивлений R - 2R, имеют одинаковую величину, а их вклад в выходное напряжение приводится в соответствие с весом разряда благодаря двум свойствам самой сетки R - 2R:
- во-первых, сопротивление между любой из точек соединения резисторов (Л, В, С, ..,, Р, Q, S) и общим проводом одинаковои равно ЗR/2$
- во-вторых, ток, втекающий по одной из ветвей в любой из узлов (В, С, ..., Р, Q), раздваивается на две равные части. По этим причинам построение ЦАП на сетке сопротивлений R-2R сводится к созданию идентичных прецизионных стабилизаторов тока, которые при состоянии триггера управления «нуль» выключены, а при состоянии «единица» включены и генерируют в сетку сопротивлений стабилизированный ток.
В схеме ЦАП на рис. 11.36б такие стабилизаторы обозначены как генераторы тока ГТ, а принципиальная схема одного из них – ГТ2 - показана в развернутом виде в обрамленном пунктиром прямоугольнике. Работает он следующим образом. Когда триггер находится в состоянии «единица», на его инверсном выходе, соединенном с базой транзистора VTБ, напряжение существенно ниже, чем UОП (например, ) В при UОП = 2 В), поэтому транзистор VTБ заперт, не проводит ток и не влияет на работу транзистора VTA в режиме генератора тока. В итоге в сетку R-2R течет стабилизированный ток. Если же триггер переключается в нуль, напряжение на его инверсном выходе становится большим, чем UОП, и ток в сетку R - 2R прекращается, так как транзистор VTA запирается, а ток через транзистор VTБ, минуя сетку сопротивлений, идет на шину источника питания.
Напряжение UОП является единым для всех генераторов ГТ, а одинаковость самих генерируемых токов достигается регулировкой резистора R. В прецизионных схемах ЦАП, выполненных по интегральной технологии, подгонка величин подобного рода резисторов достигается путем разрушения части проводящего покрытия лазерным лучом («лазерная доводка»).
Разрядность ЦАП достигает 16, что позволяет вырабатывать 216=65536 градаций напряжения.