3. Цап. Основные характеристики, структурные схемы.

Современные АЦП и ЦАП, как правило, представляют собой БИС, выполненные по КМОП - технологии, и требующие минимальное число дополнительных внешних элементов для выполнения своих функций.

Рассмотрим основные варианты построения ЦАП.

Чаще всего используется принцип цифро-аналогового преобразования, основанный на суммировании токов. На рис. ниже показана структурная схема ЦАП, содержащего b генераторов тока, питающихся от источника напряжения , и Ь ключей, где b - число двоичных разрядов, равное в данном примере 5. Величины токов пропорциональны степеням 2. Ключ замыкается, если соответствующий бит Q в очередном такте цифрового сигнала равен лог.1, и размыкается в противоположном случае. Суммарный ток течет через сопротивление нагрузки и создает выходное напряжение . Для преобразования суммы токов в напряжение на выходе ЦАП может быть использован операционный усилитель. Широко известна схема ЦАП с резистивными цепями R-2R.

Достоинством ЦАП с суммированием двоично-взвешенных токов является минимальное число генераторов тока и ключей. Однако при большом числе разрядов и высокой частоте дискретизации начинает сильно сказываться недостаток таких ЦАП, который заключается в том, что одновременное переключение ключей в нескольких двоичных разрядах создает значительные помехи в выходном напряжении. Эти помехи зависят от того, какие именно ключи замыкаются или размыкаются, что создает дополнительные погрешности преобразования. Другой недостаток этого пути построения ЦАП - необходимость получения высокоточных резисторов разных номиналов, что требует сложной и дорогостоящей технологии.

Значительно меньше указанные недостатки сказываются, если число генераторов тока и ключей увеличить до , и токи всех генераторов сделать равными . При подаче на вход такого ЦАП двоичного числа К, где , замкнется К ключей, и выходной ток будет равен . При увеличении входного числа ключи будут только замыкаться, а при уменьшении - только размыкаться.

ЦАП с суммированием двоично-взвешенных токов

ЦАП с интерполяцией (а) и с сигма-дельта модулятором (б)

Этот вариант называется ЦАП с полным декодированием или «термометр» по аналогии с термометром, содержащим столбик жидкости, который может подниматься и опускаться. Очевидно, что ЦАП с полным декодированием содержит значительно больше элементов, чем ЦАП с двоично-взвешенными токами.

Для построения быстродействующих ЦАП с большим числом разрядов квантования используются структурные схемы с разделением на сегменты. Пример 10-разрядного ЦАП такого типа показан на рис. 2.24. На этом рисунке жирными стрелками показаны цифровые шины, рядом с которыми написано число разрядов в них.

Входной 10-разрядный код фиксируется в регистре Рег1 по импульсам тактовой частоты . Затем 5 старших разрядов преобразуются дешифратором Дш в 31-разрядный код. Используется закон преобразования «термометр»: если на входе дешифратора число N (в двоичной записи), то на выходах N младших разрядов Дш единицы, а на остальных выходах - нули. Коды с выхода Дш вместе с 5 младшими разрядами входного кода запоминается в 36-разрядном регистре Рег2. Полученный 31-разрядный код далее поступает на ЦАП1, содержащий 31 генератор тока одинаковой величины и 31 ключ. Младшие 5 разрядов поступают на ЦАП2, построенный по принципу суммирования двоично-взвешенных токов. Помехи, возникающие в ЦАП1 и ЦАП2 при переключениях, оказываются незначительными, так как коммутируются небольшие токи. Токи ЦАП1 и ЦАП2 суммируются и образуют выходной ток.

При цифро-аналоговом преобразовании звуковых сигналов, как пояснялось в предыдущем параграфе, используют повышение частоты дискретизации и интерполяцию. Для этого имеются специальные ЦАП (рис. 2.25,а). Интерполятор представляет собой цифровое устройство, в котором в промежутке между каждыми двумя отсчетами входного цифрового сигнала вставляется к-1 новых отсчетов, рассчитываемых по определенным правилам. В результате частота дискретизации увеличивается в к раз. Затем сигнал преобразуется n-разрядным ЦАП в аналоговую форму и фильтруется ФНЧ.

Наибольшее число разрядов квантования обеспечивается в ЦАП с сигма-дельта модулятором (рис. 2.25,б). Интерполятор повышает частоту дискретизации в к раз. Цифровой сигма-дельта модулятор преобразует n-разрядные двоичные слова в m-разрядные (т<n) слова, которые преобразуются m-разрядным ЦАП в аналоговый сигнал, сглаживаемый ФНЧ. Сигма-дельта модулятор формирует m-разрядные слова так, чтобы в результате усреднения нескольких отсчетов, идущих с увеличенной частотой дискретизации, получалось требуемое значение выходного аналогового сигнала. Чем меньше т по сравнению с л, тем больше должно быть число к, показывающее во сколько раз увеличивается частота дискретизации. В предельном случае может быть т = 1. При этом выходное напряжение получается сглаживанием последовательности импульсов, как в устройствах с широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляцией.