Цифро-аналоговые преобразователи

Точность значительно  повышается, если резистор R_э заменить источником постоянного тока, как в схеме на рис. 6. Благодаря симметрии схемы существует возможность формирования двух выходных токов – прямого и инверсного. Наиболее быстродействующие модели подобных ЦАП имеют входные ЭСЛ-уровни. Примером может служить 12-ти разрядный МАХ555, имеющий время установления 4 нс до уровня 0,1%. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.

Формирование  выходного сигнала в виде напряжения

Существует несколько  способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых  токов. Два из них показаны на рис. 8.

Рис. 8. Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

На рис. 8а приведена  схема с преобразователем тока в  напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом. Поскольку  пленочные резисторы, определяющие весовые токи ЦАП имеют значительный температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи R_ос следует изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, что обычно и делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300…400 раз.

Для ЦАП на МОП-ключах с учетом (8) выходное напряжение схемы на рис. 8а.

Обычно сопротивление  резистора обратной связи R_ос=R. В таком случае

(12)

Большинство моделей ЦАП  имеет значительную выходную емкость. Например, у AD7520 с МОП-ключами в зависимости от входного кода С_вых составляет величину 30…120 пФ, у AD565А с источниками тока С_вых=25 пФ. Эта емкость совместно с выходным сопротивлением ЦАП и резистором R_ос создает дополнительный полюс частотной характеристики петли обратной связи ОУ, который может вызвать неустойчивость в виде самовозбуждения. Особенно это опасно для ЦАП с МОП-ключами при нулевом входном коде. При R_ос=10 кОм частота второго полюса составит около 100 кГц при 100%-ной глубине обратной связи. В таком случае усилитель, частота единичного усиления которого f_т превышает 500 кГц, будет иметь явно недостаточные запасы устойчивости. Для сохранения устойчивости можно включить параллельно резистору R_ос конденсатор С_к, емкость которого в первом приближении можно взять равной С_вых. Для более точного выбора С_к необходимо провести полный анализ устойчивости схемы с учетом свойств конкретного ОУ. Эти мероприятия настолько серьезно ухудшают быстродействие схемы, что возникает парадоксальная ситуация: для поддержания высокого быстродействия даже недорогого ЦАП может потребоваться относительно дорогой быстродействующий (с малым временем установления) ОУ.

Ранние модели ЦАП с  МОП ключами (AD7520, 572ПА1 и др.) допускают  отрицательное напряжение на ключах не свыше 0,7 В, поэтому для защиты ключей между выходами ЦАП следует включать диод Шоттки, как это показано на рис. 8а.

Для цифро-аналогового преобразователя  на источниках тока преобразование выходного  тока в напряжение может быть произведено  с помощью резистора (рис.8б). В  этой схеме невозможно самовозбуждение  и сохранено быстродействие, однако амплитуда выходного напряжения должна быть небольшой (например, для AD565А  в биполярном режиме в пределах ± 1 В). В противном случае транзисторы  источников тока могут выйти из линейного  режима. Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления  нагрузки: R_н »1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к ее выходу можно подключить неинвертирующий усилитель на ОУ.

Для ЦАП с МОП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение резистивной матрицы (рис. 9).

Рис. 9. Инверсное включение  ЦАП с МОП-ключами

Для расчета выходного  напряжения найдем связь между напряжением U_i на ключе S_i и узловым напряжением U'_i . Воспользуемся принципом суперпозиции. Будем считать равными нулю все напряжения на ключах, кроме рассматриваемого напряжения U_i. При R_н=2R к каждому узлу подключены справа и слева нагрузки сопротивлением 2R. Воспользовавшись методом двух узлов, получим

Выходное напряжение ЦАП  найдем как общее напряжение на крайнем  правом узле, вызванное суммарным  действием всех U_i. При этом напряжения узлов суммируются с весами, соответствующими коэффициентам деления резистивной матрицы R-2R. Получим

Для определения выходного  напряжения при произвольной нагрузке воспользуемся теоремой об эквивалентном  генераторе. Из эквивалентной схемы  ЦАП на рис. 10 видно, что

Рис. 10

(13)

Откуда э.д.с. эквивалентного генератора

(14)

Эквивалентное сопротивление  генератора R_э совпадает со входным сопротивлением матрицы R-2R, т.е. R_э=R. При R_н=2R из (14) получим

(15)

Подставив (15) в (13), для произвольной нагрузки получим

В частности, при R_н=¥

(16)

Недостатками этой схемы  являются: большое падение напряжения на ключах, изменяющаяся нагрузка источника  опорного напряжения и значительное выходное сопротивление. Вследствие первого  недостатка по этой схеме нельзя включать ЦАП типа 572ПА1 или 572ПА2, но можно 572ПА6 и 572ПА7. Из-за второго недостатка источник опорного напряжения должен обладать низким выходным сопротивлением, в  противном случае возможна немонотонность характеристики преобразования. Тем не менее, инверсное включение резистивной матрицы довольно широко применяется в ИМС ЦАП с выходом в виде напряжения, например, в 12-ти разрядном МАХ531, включающем также встроенный ОУ в неинвертирующем включении в качестве буфера, или в 16-ти разрядном МАХ542 без встроенного буфера. 12-ти разрядный ЦАП AD7390 построен на инверсной матрице с буферным усилителем на кристалле и потребляет всего 0,3 мВт мощности. Правда его время установления достигает 70 мкс.

Параллельный  ЦАП на переключаемых конденсаторах

Основой ЦАП этого типа является матрица конденсаторов, емкости  которых соотносятся как целые  степени двух. Схема простого варианта такого преобразователя приведена  на рис. 11. Емкость k-го конденсатора матрицы определяется соотношением

Сk=2kC0.

(17)

Цикл преобразования состоит  из двух фаз. В первой фазе ключи S₀…S_N–1 находятся в левой позиции. Ключ сброса S_сб замкнут. При этом все конденсаторы разряжены. Во второй фазе ключ сброса S_сб размыкается. Если k-й бит входного N-разрядного слова d_k=1, то соответствующий ключ S_k переключается в правую позицию, подключая нижнюю обкладку конденсатора к источнику опорного напряжения, или остается в левой позиции, если d_k=0. Суммарный заряд конденсаторов матрицы с учетом (17) составит

(18)

Равный заряд получает и конденсатор С в обратной связи ОУ. При этом выходное напряжение ОУ составит

Uвых=–q/C.

(19)

Рис. 8.11. Параллельный ЦАП  на коммутируемых конденсаторах

Подставив (18) в (19), найдем окончательно

(20)

Для хранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течении сколь-нибудь продолжительного времени к выходу ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время, как это могут делать ЦАП с суммированием весовых токов, снабженные регистром-защелкой, преобразователи на коммутируемых конденсаторах не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе аналого-цифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимаемая подобной схемой.

ЦАП с суммированием  напряжений

Схема восьмиразрядного преобразователя  с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рис. 8.12. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи S₀…S₂₅₅ может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный код D преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение U_AB между выводами А и В, то напряжение между выводами W и B составит

U_WB=U_ABD.

Достоинством данной схемы  является  малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность   характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом. Выпускается несколько моделей таких ЦАП. Например, микросхема AD8403 содержит четыре восьмиразрядных ЦАП, выполненных по схеме на рис. 8.12, с сопротивлением между выводами А и В 10, 50 либо 100 кОм в зависимости от модификации. При подаче активного уровня на вход “Экономичный режим” происходит размыкание ключа S_откл и замыкание ключа S₀. ИМС имеет вход сброса, которым ЦАП можно установить на середину шкалы. Фирма Dallas Semiconductor выпускает несколько моделей ЦАП (например, сдвоенный DS1867) с суммированием напряжений, у которых входной регистр представляет собой энергонезависимое оперативное запоминающее устройство, что особенно удобно для построения схем с автоматической подстройкой (калибровкой). Недостаток схемы – необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2^N) согласованных резисторов. Тем не менее, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-ти разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе, например, AD5301, AD5311 и AD5321.

Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей

Важную часть цифро-аналогового  преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП  к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно  влияют и на форму кривой сигнала  на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов, "иголок", в выходном сигнале при смене кода.

При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой  управляющие входы ключей ЦАП  могут быть непосредственно подключены к выходам цифровых устройств, поэтому  во многих моделях ИМС ЦАП, особенно ранних (572ПА1, 594ПА1, 1108ПА1, AD565А и др.), сколь-нибудь существенная цифровая часть  отсутствует. Если же ЦАП входит в  состав микропроцессорной системы  и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное  слово от шины данных, коммутировать  в соответствии с этим словом ключи  ЦАП и хранить его до получения  другого слова. Для управления процессом  загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие  входы и схему управления. В  зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают  преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных  данных.

ЦАП с  последовательным интерфейсом входных  данных

Такой преобразователь содержит на кристалле помимо собственно ЦАП  дополнительно также последовательный регистр загрузки, параллельный регистр  хранения и управляющую логику (рис. 13а). Чаще всего используется трехпроводный интерфейс, который обеспечивает управление ЦА-преобразователем от SPI, QSPI, MICROWIRE интерфейсов процессоров. При активном уровне сигнала CS (в данном случае - нулевом) входное слово длины N (равной разрядности ЦАП) загружается по линии DI в регистр сдвига под управлением тактовой последовательности CLK. После окончания загрузки, выставив активный уровень на линию LD, входное слово записывают в регистр хранения, выходы которого непосредственно управляют ключами ЦАП. Для того, чтобы иметь возможность передавать по одной линии данных входные коды в несколько ЦАП, последний разряд регистра сдвига у многих моделей ЦАП с последовательным интерфейсом соединяется с выводом ИМС DO. Этот вывод подключается ко входу DI следующего ЦАП и т.д. Коды входных слов передаются, начиная с кода самого последнего преобразователя в этой цепочке.

В качестве примера на рис. 13б  представлена временнaя диаграмма, отражающая процесс загрузки входного слова в ЦАП AD7233. Минимально допустимые значения интервалов времени (порядка 50 нс), обозначенных на временных диаграммах, указываются в технической документации на ИМС.

На рис. 14 приведен вариант  схемы подключения преобразователя  с последовательным интерфейсом  к микроконтроллеру (МК). На время  загрузки входного слова в ЦАП  через последовательный порт микроконтроллера, к которому могут быть также подключены и другие приемники, на вход CS (выбор  кристалла) подается активный уровень  с одной из линий ввода-вывода МК. После окончания загрузки МК меняет уровень на входе CS, как это  показано на рис. 8.13б, и, выставив активный уровень на входе LD ЦАП, обеспечивает пересылку входного кода из регистра сдвига ЦАП в регистр хранения. Время загрузки зависит от тактовой частоты МК и обычно составляет единицы  микросекунд. В случае, если колебания выходного сигнала ЦАП во время загрузки допустимы, вход LD можно соединить с общей точкой схемы.

Минимальное количество линий  связи с ЦАП обеспечивается двухпроводным  интерфейсом I2C. Этим интерфейсом оснащаются некоторые последние модели ЦАП, например, AD5301. Адресация конкретного  устройства осуществляется по линии  данных.

ЦАП с  параллельным интерфейсом входных  данных

Чаще используются два варианта. В первом варианте на N входов данных N-разрядного ЦАП  подается все входное слово целиком. Интерфейс такого ЦАП включает два  регистра хранения и схему управления (рис. 15а). Два регистра хранения нужны, если пересылка входного кода в ЦАП  и установка выходного аналогового  сигнала, соответствующего этому коду, должны быть разделены во времени. Подача на вход асинхронного сброса CLR сигнал низкого уровня приводит к обнулению  первого регистра и, соответственно выходного напряжения ЦАП.