11_Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) АТСб-22-1

Преобразование двоичного кода в аналоговый сигнал (ток или напряжение) осуществляется статическим методом или методом временного разделения. В статическом методе при фиксированном значении двоичного кода на время до смены значения кода замыкается ряд управляемых этим кодом ключей, коммутирующих токи или напряжения, суммированием которых получается требуемое значение аналогового сигнала. В методе временного разделения ключ замыкается в динамическом режиме в определённые интервалы времени так, что среднее во времени значение тока или напряжения соответствует требуемому значению аналогового сигнала. На рис. 1 показана передаточная характеристика идеального четырёхразрядного ЦАП.

Рис. 1 Передаточная характеристика идеального четырёхразрядного ЦАП

Огибающая передаточной характеристики этого ЦАП – прямая линия, проходящая через начало координат (выходное напряжение ЦАП U_вых. = 0 при управляющем коде 0000) и точку максимального выходного напряжения U_{вых. макс.} при коде 1111. Если n – число разрядов кода, а U_{вых..МЗР} – выходное напряжение, соответствующее коду 0001, т.е. содержащему единицу только в младшем значащем разряде МЗР, то выходное напряжение U_{вых..СЗР}, соответствует коду 1000 (содержащему единицу только в старшем значащем разряде СЗР) равно: 

U_{вых.СЗР} = U_{вых..МЗР}·2^n-1 .

Номинальное выходное напряжение полной разрядной сетки U_{вых. ПРС} определяется так:  U_{вых. ПРС} = 2·U_{вых.СЗР} = U_{вых..МЗР}·2^n-1  т.е. оно больше максимального выходного напряжения на 1 U_{вых. МЗР}.

Во многих ЦАП выходное напряжение U_{вых. ПРС} устанавливается равным 10,000 В. Следовательно, в 4-разрядном ЦАП U_{вых.МЗР} = U_{вых. ПРС} / 2⁴ = 10,000 В/2⁴ = 0,625 В; U_{вых.СЗР} = U_{вых. ПРС} / 2 = 5,000 В, а выходное напряжение при коде 1111 составляет U_{вых. макс.} = 10,000 В – 0,625 В = 9,375 В.

Реальная передаточная характеристика ЦАП (рис.2) отклоняется от идеальной характеристики рис.1 из-за присущих ЦАП погрешностей, главными из которых являются погрешность полной шкалы d_п.ш., погрешность линейности d_л., дифференциальная нелинейность d_л.д.

Рис. 2 Реальная передаточная характеристика ЦАП

Прямая U_{вых. ид.} соединяет точки, соответствующие идеальной зависимости. Кусочно-линейная кривая U_вых. р. представляет собой реальную зависимость U_вых. от преобразуемого кода. Разность U_вых. р. – U_{вых. ид.} для максимального кода есть погрешность полной шкалы d_п.ш.. Наибольшее отклонение U_вых. р. от прямой, соединяющей её крайние точки, характеризует погрешность линейности d_л.. Дифференциальная нелинейность d_л.д. определяется как наибольшая по абсолютной величине разность единичного приращения выходного напряжения q_i и среднего значения этого приращения q_ср.

Структурная схема статического ЦАП приведена на рис.3. ЦАП состоит из двух блоков: резистивной схемы и суммирующего усилителя.

Рис.3. Структурная схема ЦАП

В резистивной схеме устанавливаются весовые коэффициенты для цифровых сигналов на входе ЦАП, так что вес единицы на входе а₁ в два раза больше веса единицы на входе а₀, вес единицы на входе а₂ в два раза больше, чем на входе а₁ и т.д. Для этой цели можно использовать различные конфигурации
соединений резисторов, из  которых наиболее  простая – с резисторами двоично-взвешиванных номиналов, а наиболее распространённая – с использованием R-2R-цепи лестничного типа.

В суммирующем усилителе суммируются и масштабируются аналоговые сигналы, поступающие на его входы с выхода резистивной схемы.