Простейший цап
Описываемый ниже цифро-аналоговый преобразователь был разработан как вспомогательный, для применения в качестве составной части многоканального АЦП. Однако он вполне может служить самостоятельным устройством для преобразования цифровой информации в аналоговую форму. Точность преобразования этой схемы невелика. Преобразователь позволяет сформировать аналоговый сигнал, имеющий всего 256 градаций уровня. Однако, в некоторых случаях этого может оказаться вполне достаточно. Например, микропроцессорную систему управления преобразователем напряжения. Подобный ЦАП с успехом может использоваться для формирования синусоидального напряжения, которое затем можно усилить по мощности, подать на вход трансформатора и получить на выходе напряжение 220 В 50 Гц практически идеальной синусоидальной формы.
Схема цифро-аналогового преобразователя приведена на рис. 2.1.
Он представляет собой матрицу резисторов R3...R10. Через каждый из этих резисторов на выход преобразователя поступает сигнал с одного из выходов буферного регистра DD2. Номиналы резисторов подобраны по принципу удвоения. Сопротивление резистора R9 в два раза больше, чем сопротивление R10. Сопротивление R8 еще в два раза больше. И так далее. Из стандартного пятипроцентного ряда специально подобраны такие номиналы, чтобы получился ряд значений, в котором каждое последующее в два раза больше предыдущего. В связи с тем, что главным критерием была простота и низкая стоимость, решено было отказаться от прецизионных радиоэлементов и более совершенных схемных решений.
Для минимизации влияния нагрузки на точность преобразования используется эмиттерный повторитель (VT1, R11).
Посмотрим, как работает такая схема. Процессор DD1 просто записывает число, предназначенное для преобразования в аналоговый сигнал, в буферный регистр DD2. В тот же момент то же число появляется на выходах этого регистра в виде восьми битов двоичного кода. В соответствии со значениями разрядов этого кода, на каждом из выходов DD2 установится одно их двух возможных выходных напряжений. Напряжение на выходе может быть либо равно нулю (низкий логический уровень), либо практически равно напряжению питания (высокий логический уровень). Через соответствующие резисторы матрицы эти напряжения поступят на вход эмиттерного повторителя. Результирующее напряжение сложится из всех этих сигналов. Однако вес каждого из сигналов в общей сумме будет разный.
Младший разряд (Q1) будет иметь самый маленький вес. Разряд Q2 будет иметь вес в два раза больший. И так далее. В результате уровень сигнала на выходе схемы будет прямо пропорционален значению двоичного числа, записанного в регистр DD2. При изменении этого числа от ООН до FFH напряжение на выходе преобразователя будет изменяться в пределах от 0 до 5 вольт. Преобразователь способен выдавать 256 дискретных уровней напряжения. Шаг между соседними уровнями будет равен 5/256 = 0,0195 (где-то около 20 мВ).
Это в идеале. В реальной схеме диапазон изменения выходного напряжения будет меньше из-за падения напряжения на переходе база-эмиттер. Несколько улучшить параметры такого ЦАП можно путем исключения эмиттерного повторителя, но только в случае, если нагрузка высокоомная. Для управления регистром DD2 используется порт Р1 микроконтроллера (передача данных) и линия Р3.4 (сигнал записи). Резисторы RI и R2 установлены для обеспечения нормальной работы выходов Р1.0 и Р1.1. Эти выходы не имеют внутренних резисторов нагрузки, поэтому они требуют применения внешней нагрузки.
Приведенную схему ЦАП можно было бы еще больше упростить. Например, можно обойтись и без микросхемы DD2, подключив матрицу резисторов непосредственно к порту Р1. Можно также отказаться от эмиттерного повторителя. Но отказ от эмиттерного повторителя еще более снизит точность преобразования. А отказ от промежуточного регистра приведет к резкому ограничению функциональных возможностей всей схемы. Так как сделает невозможным одновременное применение порта Р1 для нескольких разных целей.