НОУ ІНТУІТ, Лекція, Застосування ЦАП та АЦП
Як вже зазначалося в "Мікросхеми та їх функціонування", цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП, DAC - "Digital-to-Analog Converter") та аналого-цифрові перетворювачі (АЦП, ADC - "Analog-to-Digital Converter") головним чином застосовуються для поєднання цифрових пристроїв та систем із зовнішніми аналоговими сигналами, з реальним світом. При цьому АЦП перетворює аналогові сигнали у вхідні цифрові сигнали, що надходять на цифрові пристрої для подальшої обробки або зберігання, а ЦАП перетворює вихідні цифрові сигнали цифрових пристроїв аналогові сигнали (див.рис. 2.12).
Як ЦАП і АЦП зазвичай застосовуються спеціалізовані мікросхеми, що випускаються багатьма вітчизняними та зарубіжними фірмами.
Одночасно слід зазначити, що з грамотного і професійного використання мікросхем ЦАП і АЦП обмаль знання цифрової схемотехніки. Ці мікросхеми відносяться до аналого-цифрових, тому вони вимагають також знання аналогової схемотехніки, що істотно відрізняється від цифрової. Практичне застосування ЦАП і АЦП вимагає розрахунку аналогових ланцюгів, обліку численних похибок перетворення (як статичних, і динамічних), знання характеристик і особливостей аналогових мікросхем (насамперед , операційних підсилювачів) та багато іншого, що далеко за межі цієї книги. Існує велика література, спеціально присвячена саме питанням застосування ЦАП та АЦП. Тому в даній лекції ми не говоритимемо про специфіку вибору та принципи включення конкретних мікросхем ЦАП та АЦП ми розглядатимемо лише основні особливості методів з'єднання ЦАП та АЦП з цифровими вузлами. Нас насамперед цікавитиме організація цифрових вузлів, призначених для з'єднання з ЦАП таАЦП.
Застосування ЦАП
У загальному випадку мікросхему ЦАП можна подати у вигляді блоку (рис. 13.1), що має кілька цифрових входів та один аналоговий вхід, а також аналоговий вихід.
На цифрові входи ЦАП подається n-розрядний код N, на аналоговий вхід - опорна напруга Uоп (інше поширене позначення - UREF). Вихідним сигналом є напруга Uвих (інше позначення - UO) або струм Iвих (інше позначення - IO). При цьому вихідний струм або вихідна напруга пропорційні вхідному коду та опорному напрузі. Для деяких мікросхем опорна напруга повинна мати строго заданий рівень, для інших допускається змінювати її значення в широких межах, у тому числі змінювати її полярність (позитивну на негативну і навпаки). ЦАП з великим діапазоном зміни опорної напруги називається множним ЦАП, так як його можна легко використовувати для множення вхідного коду на будь-яку опорну напругу.
Крім інформаційних сигналів, мікросхеми ЦАП вимагають також підключення одного або двох джерел живлення та загального дроту. Зазвичай цифрові входи ЦАП забезпечують сумісність із стандартними виходами мікросхем ТТЛ.
Найчастіше у випадку, якщо ЦАП має струмовий вихід, його вихідний струм перетворюється на вихідну напругу за допомогою зовнішнього операційного підсилювача та вбудованого в ЦАП резистора RОС, один із висновків якого виведений на зовнішній висновок мікросхеми (рис. 13.2). Тому, якщо не зазначено інше, ми надалі вважатимемо, що вихідний сигнал ЦАП — напруга UO.
Суть перетворення вхідного цифрового коду вихідний аналоговий сигнал досить проста. Вона полягає у підсумовуванні кількох струмів (за кількістю розрядів вхідного коду), кожен наступний з яких удвічі більшийпопереднього. Для отримання цих струмів використовуються транзисторні джерела струму, або резистивні матриці, комутовані транзисторними ключами.
Як приклад на рис. 13.3 показано 4-розрядне (n = 4) цифро-аналогове перетворення на основі резистивної матриці R–2R та ключів (насправді використовуються ключі на основі транзисторів). Правому положенню ключа відповідає одиниця у цьому розряді вхідного коду N (розряди D0 D3). Операційний підсилювач може бути як вбудованим (у разі ЦАП з виходом по напрузі), так і зовнішнім (у разі ЦАП з виходом по струму).
Першим (лівим малюнком) ключем комутується струм величиною UREF/2R, другим ключем — струм UREF/4R, третім — струм UREF/8R, четвертим — струм UREF/16R. Тобто струми, що комутуються сусідніми ключами, різняться вдвічі, як і ваги розрядів двійкового коду. Струми, комутовані всіма ключами, підсумовуються і перетворюються у вихідну напругу за допомогою операційного підсилювача з опором RОС=R ланцюга негативного зворотного зв'язку .
При правому положенні кожного ключа (одиниця у відповідному розряді вхідного коду ЦАП) струм, що комутується цим ключем, надходить на підсумовування. При лівому положенні ключа (нуль у відповідному розряді вхідного коду ЦАП) струм, що комутується цим ключем, на підсумовування не надходить.
Сумарний IO струм від усіх ключів створює на виході операційного підсилювача напруга UO = IO RОС = IOR . Тобто внесок першого ключа (старшого розряду коду) у вихідну напругу становить UREF/2, другого – UREF/4, третього – UREF/8, четвертого – UREF/16. Таким чином, при вхідному коді N = 0000 вихідна напруга схеми буде нульовою, а при вхідному коді N = 1111 вона дорівнює -15UREF/16 .
У випадку вихідна напруга ЦАП при RОС = Rбуде пов'язано з вхідним кодом N та опорною напругою UREF простою формулою
де n – кількість розрядів вхідного коду. Знак мінус виходить через інверсію сигналу операційним підсилювачем. Цей зв'язок можна проілюструвати також табл. 13.1.
| 000 000 | 0 |
| 000 001 | -2 -n UREF |
| 100 000 | -2 -1 UREF |
| 111 111 | -(1-2 -n ) UREF |
Деякі мікросхеми ЦАП передбачають можливість роботи у біполярному режимі, у якому вихідна напруга змінюється немає від нуля до UREF , як –UREF до +UREF . При цьому вихідний сигнал ЦАП UВИХ множиться на 2 і зсувається на величину UREF. Зв'язок між вхідним кодом N і вихідною напругою UВИХ буде наступним: