Автор работы: Пользователь скрыл имя, 30 Марта 2013 в 18:18, курсовая работа
Аналого-цифрові та цифроаналогові перетворювачі утворюють клас перетворювачів форми інформації (ПФІ), що широко застосовуються в різних галузях людської діяльності. Параметри і характеристики перетворювачів залежать від галузі використання і складності розв'язуваних задач. Водночас, у процесі експлуатації, під впливом таких природних чинників, як змінення температури навколишнього середовища, старіння елементів аналогових вузлів, параметри елементів ПФІ змінюються, а це у свою чергу призводить до зростання похибок перетворення та параметричної відмови пристрою в цілому.
3.2 ЦАП на джерелах струму
ЦАП на джерелах струму має більш високу точність. На відміну від попереднього варіанту, у якому вагові струми формуються резисторами порівняно невеликого опору, а тому залежать від опору ключів на навантаження, у даному разі вагові струми забезпечуються транзисторними джерелами струму, що мають високий динамічний опір. Спрощена схема такого ЦАП наведена на рис.3.4
Вагові струми формуються за допомогою резистивної матриці. Потенціали баз транзисторів однакові, а щоб були рівними і потенціали емітерів усіх транзисторів, площі Ії емітерів роблять різними у відповідності до вагових коефіцієнтів. Правий резистор матриці підключений не до загальної шини, а до двох паралельно включених однакових транзисторів VT0 та VTн, у результаті чого струм через VT0 дорівнює половині струму через VT1.
Рис.3.4 ЦАП на джерелах струму
Вагові струми формуються за допомогою резистивної матриці. Потенціали баз транзисторів однакові, а щоб були рівні і потенціали емітерів усіх транзисторів, площі їх емітерів роблять різними у відповідності до вагових коефіцієнтів. Правий резистор матриці підключений не до загальної шини, як на схемі рис. 3.3, а до двох паралельно включеним однакових транзисторів VT0 і VTн, в результаті чого струм через VT0 дорівнює половині струму через VT1.Вихідна напруга для резистивної матриці створюється за допомогою опорного транзистора VTоп та операційного підсилювача ОП1, вихідна напруга якого встановлюється такою, що колекторний струм транзистора VTоп приймає значення Iоп. Вихідний струм для N-розрядного ЦАП
Формування вихідного сигналу у вигляді напруги
Існує декілька способів формування вихідної напруги для ЦАП з сумуванням вихідних струмів. Два з них показані на рис.3.5.
Рис.3.5 а) Формування вихідної напруги за допомогою операційного підсилювача; б) формування вихідної напруги за допомогою резистора
На рис.3.5,а наведена схема з перетворювачем струму в напругу на операційому підсилювачі. Ця схема придатна для усіх ЦАП зі струмовим виходом. Оскільки плівкові резистори, що визначають вагові струми ЦАП мають значний температурний коефіцієнт опору, резистор зворотнього зв’язку треба виготовляти на кристалі ЦАП та в тому ж технологічному процесі, що звичайно і робиться. Це дозволить знизити температурну нестабільність перетворювача у 300...400 разів. Вихідна напруга схеми на рис.3.5,а
(3.8)
Звичайно, опір резистора зворотнього зв’язку Roc = R. У такому випадку:
(3.9)
Більшість моделей ЦАП мають велику вихідну ємність. Наприклад, у AD7520 вона в залежності від вхідного коду складає величину 30...120 пФ.
Для ЦАП на джерелах струму перетворення вихідного струму у напругу може бути зроблено за допомогою резистора (рис.8,б). У цій схемі амплітуда вихідної напруги повинна бути невеликою (не більше ±1 В). Такий режим забезпечується при малому опорі навантаження Rн = 1 кОм.
Для ЦАП з МОН-ключами. щоб одержати вихідний сигнал у вигляді напруги, можна використати інверсне включення резистивної матриці (рис.3.6).
Рис.3.6 Інверсне включення резистивної матриці.
Вихідна напруга такого ЦАП
(3.10)
В особистому випадку, .
Недоліками цієї схеми є: велике спадання напруги на ключах, змінне навантаження джерела опорної напруги та значний вихідний опір
3.3 Паралельний ЦАП на перемикаємих конденсаторах
Основою ЦАП цього типу є матриця конденсаторів, ємності яких співвідносяться як цілі ступені двійки. Схема простого варіанту такого перетворювача наведена на рис.3.7
Рис.3.7 Паралельний ЦАП на перемикаємих конденсаторах
Ємність К-го конденсатору матриці визначається співвідношенням: Ск = 2КС0.
Цикл перетворення складається з двох фаз У першій фазі ключі S0…SN-1 знаходяться у лівій позиції. Ключ скидання Sсб замкнений. При цьому усі конденсатори розряджені. У другій фазі ключ скидання Sсб розмикається. Якщо k-й біт вхідного N-розрядного слова dk = 1, то відповідний ключ Sk перемикається у праву позицію. підключаючи нижню обкладинку конденсатору до джерела опорної напруги, або залишається у лівій позиції, якщо dk = 0.Сумарний розряд конденсаторів матриці з урахуванням Ск = 2КС0, складає:
(3.11)
Такий же заряд одержує і конденсатор С в колі зворотного зв’язку операційного підсилювача. При цьому вихідна напруга ОУ складе:
(3.12)
Для збереження результату перетворення (постійної напруги) на протязі кількох років к виходу кількох ЦАП цього типу потрібно підключати пристрій вибірки-збереження. Зберігати результат тривалий час неможливо, тому такі ЦАП застосовуються в основному у составі АЦП. Інший недолік – велика площа кристалу мікросхеми, котру займає така схема.
3.4 ЦАП з сумуванням напруг
Схема 8-розрядного ЦАП з сумуванням напруг, що виготовляється у вигляді мікросхеми, показано на рис.3.8
Рис.3.8 ЦАП з сумуванням напруг
Основу перетворювача складає ланцюг з 256 резисторів рівного опору, що з’єднані послідовно. Вивід W через ключі S0…S256 може підключатись до будь-якої точки цього кола в залежності від вхідного числа. Вхідний двійковий код D перетворюється дешифратором 8х256 в унітарний позиційний код, що безпосередньо керує ключами. Якщо прикласти напругу UAB між виводами А і В, то напруга між виводами Wі В складе:
(3.13)
Достоїнство даної схеми – мала диференційна нелінійність та гарантована монотонність характеристики перетворення. Її можна використовувати як резистор, що підстроюється цифровим кодом. При подачі активного рівня на вхід „Економ. режим” має місце розмикання ключа Sоткл, та замикання ключа S0. У наш час випускаються ЦАП такого типу на 12 розрядів, наприклад, AD5321.
3.5 Інтерфейси ЦАП
Важливу частину ЦАП складає цифровий інтерфейс – схеми, що забезпечують зв’язок керуючих входів ключів з джерелами цифрових сигналів. Структура цифрового інтерфейсу безпосередньо визначає спосіб підключення ЦАП до джерела вхідного коду, наприклад, мікропроцесору та мікро контролеру. Властивості цифрового інтерфейсу безпосередньо впливають і на форму кривої сигналу на виході ЦАП. Так, неодночасність надходження бітів вхідного слова на керуючі входи ключів перетворювача призводить до появи вузьких викидів, „голок” у вихідному сигналі при зміні коду.
При керуванні ЦАП від цифрових пристроїв з жорсткою логікою керуючі коди ключів ЦАП можуть бути безпосередньо підключені до вихідних виводів цифрових пристроїв, тому у багатьох моделях ЦАП, особливо більш радніших (572ПА1 та ін.) суттєва цифрова частина відсутня. Якщо ЦАП входить у склад мікропроцесорної системи та одержує вхідний код від шини даних, то його потрібно оснастити пристроями, що приймають вхідне слово від шини даних, та керувати ключами ЦАП і зберігати слово до надходження нових даних. В залежності від способу завантаження вхідного слова в ЦАП розділяють перетворювачі з паралельним та послідовним інтерфейсами вхідних даних.
3.6 ЦАП з послідовним інтерфейсом вхідних даних
Такий ЦАП має на кристалі окрім власне ЦАП додатково також послідовний регістр завантаження, паралельний регістр збереження та керуючу логіку (рис.3.9,а).
Рис.3.9. а) ЦАП з послідовним інтерфейсом; б) діаграми напруг.
При активному рівні сигналу CS (лог.”0”) вхідне слово довжини N (що дорівнює розрядності ЦАП) завантажується по лінії DI в регістр зсуву під керуванням тактової послідовності CLK/ Після закінчення завантаження, виставивши на лінію LD активний рівень, вхідне слово записують у регістр збереження, виходи якого безпосередньо керують ключами ЦАП. Для того, щоб мати можливість передавати по одній лінії даних вхідні коди у декілька ЦАП, останній розряд регістру зсуву у багатьох моделей ЦАП з послідовним інтерфейсом з’єднується з виводом D0. Цей вивід з’єднується зі входом DI наступного ЦАП і т.і.
Як приклад на рис.3.9,б розглянута часова діаграма, що відтворює процес завантаження вхідного слова у ЦАП AD7233. Мінімально досяжні інтервали часу (порядку 50 нс), що позначені на часових діаграмах, вказуються в технічній документації на мікросхему.
На рис.3.10 наведений варіант схеми підключення перетворювача з послідовним інтерфейсом до мікроконтролера (МК). На час завантаження вхідного слова в ЦАП через послідовний порт мікро контролера, до котрого можуть бути також підключені інші приймачі, на вхід CS (вибір кристалу) подається активний рівень з однієї з ліній введення-виводу МК. після закінчення завантаження МК міняє рівень на вході CS, як це показане на рис.3.9,б, та виставивши активний рівень на вході LD ЦАП, забезпечує пересилку вхідного коду з регістра зсуву ЦАП в регістр збереження. Час завантаження залежить від тактової частоти МК і звичайно близько 1 мкс. Мінімальна кількість ліній зв’язку з ЦАП забезпечується двох провідним інтерфейсом I2C.
Рис.3.10 Підключення схеми перетворювача до мікроконтролера
3.7 ЦАП з паралельним інтерфейсом вхідних даних
На N входів даних N-розрядного ЦАП подається все вхідне слово. Інтерфейс такого ЦАП має два регістри збереження та схему керування (рис.3.11,а).
Рис.3.11 а) ЦАП з паралельним інтерфейсом; б) діаграма напруг
Два регістри збереження потрібні, якщо пересилання вхідного коду в ЦАП та установка вихідного аналогового сигналу, що відповідає цьому слову, повинні бути розділені в часі. Подача на вхід асинхронного скиду CLR сигналу низького рівня призводить до занулення першого регістру, і відповідно вихідної напруги ЦАП.
Приклад блок-схеми підключення 12-розрядного ЦАП МАХ507 до 16-розрядного мікропроцесора наведений на рис.3.12. Процесор надсилає вхідний код в ЦАП як у комірку пам’яті даних. Спочатку з шини адреса-дані поступає адреса ЦАП, яка фіксується регістром по команді з виходу ALE мікропроцесора і, пізніше, після дешифрації активізує активізує вхід CS ЦАПю Услід за цим МП подає на шину адреса-дані вхідний код ЦАП, а потім сигнал запису на вхід WR (див. рис.3.11,б).
Рис.3.12. Підключення ЦАП до мікропроцесору.
4. Параметри ЦАП
При послідовному наростанні значень вхідного цифрового сигналу D(t) від 0 до 2N-1 через одиницю молодшого розряду (ОМР) вихідний сигнал Uвих(t) утворює східчасту криву. Таку залежність звичайно називають характеристикою перетворення ЦАП. У відсутності апаратних похибок середні точки розміщені на ідеальній прямій 1 рис.4.1, якій відповідає ідеальна характеристика перетворення.
Рис.4.1 Ідеальна характеристика перетворення
Реальна характеристика перетворення може суттєво відрізнятись від ідеальної розмірами та формою ступенів а також розміщенням на площині координат. Для кількісного опису цих розходжень існує цілий ряд параметрів.
4.1 Статичні параметри
Роздільна здатність – прирощення Uвих при перетворенні суміжних значень Dj, що відрізняються на ОМР. Це прирощення є шагом квантування. Для війкових кодів перетворення номінальне значення шагу квантування h = Uпш/(2N-1), де Uпш – номінальна максимальна вихідна напруга ЦАП (напруга повної шкали), N – розрядність ЦАП. Чим більша розрядність перетворювача, тим вища його роздільна здатність.
Похибка повної шкали – відносна різниця між реальним та ідеальним значеннями границі шкали перетворення при відсутності зміщення нуля:
Є мультиплікативною складовою повної похибки. Інколи її указують відповідним числом ОМР.
Похибка зміщення нуля – значення Uвих, коли вхідний код ЦАП дорівнює нулю. Є адитивною складовою повної похибки. Звичайно указується в мілівольтах або в процентах від повної шкали:
Нелинійність – максимальне відхилення реальної характеристики перетворення Uвих(D) від оптимальної (лінія 2 на рис.4.1Оптимальна характеристика знаходиться емпірично так, щоб мінімізувати значення похибки нелинійності. Нелинійність звичайно визначається у відносних одиницях, але у довідкових даних наводиться також і в ОМР. Для характеристики, наведеної на рис.4.1
Диференційна нелинійність – максимальна зміна (з урахуванням знаку) відхилення реальної характеристики перетворення Uвих(D) від оптимальної при переході від одного значення вхідного коду до іншого суміжного значення. Звичайно визначається у відносних одиницях або ОМР. Для характеристики, наведеної на рис.4.1: