Лабораторная работа №10

Тема: Исследование характеристик цифро-аналоговых преобразователей

Цель:        Овладение        практическими        навыками        исследования         характеристик цифро- аналоговых преобразователей средствами САПР  

Краткое описание назначения и основных характеристик цифро-аналоговых преобразователей

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровой информации, заданной в форме двоичных кодов, в аналоговые величины, обычно в напряжение или ток. Процесс цифроаналогового преобразования предполагает формирование в заданном диапазоне изменения выходного аналогового сигнала его дискретных значений, отличающихся на определенный шаг, и сопоставление каждому дискретному значению выходного сигнала определенного двоичного кода.

ЦАП в настоящее время выпускаются промышленностью только в виде интегральных схем, которые могут быть как функционально завершенные, так и функционально незавершенные. Во втором случае необходимо использование внешних элементов, как правило источника опорного напряжения и операционного усилителя.

Технические характеристики ЦАП разделяются на статические и динамические.

К статическим относятся:

1. Разрядность n - число двоичных разрядов кода, которые можно подать на вход ЦАП. Цифровая часть ЦАП разделяет величину опорного напряжения Uоп, Iоп на N частей, связанных с разрядностью следующей формулой

N = 2n

ЦАП широкого применения обычно содержат от 8 до 16 двоичных разрядов.

2. Минимальный шаг изменения выходного напряжения или тока ΔIвых, ΔUвых, при котором входной код изменяется на единицу. Минимальный шаг связан с разрядностью следующей формулой

ΔIвых = Iоп / N,        ΔUвых= Uоп / N.

Выходное напряжение Uвых или выходной ток Iвых идеального ЦАП определяется   следующими соотношениями:

Iвых = Iоп m / N,        Uвых = Uоп m / N,

где: m–десятичный эквивалент двоичного кода, поступающего на вход ЦАП,    m = 0, 1,…,  N.

3. Абсолютная погрешность преобразования δUвых, δIвых, определяемая в конечной точке  m= N равна разности выходных напряжений или токов идеального и реального ЦАП.
4. Нелинейность преобразования δL - максимальная разность выходных напряжений или токов для идеального и реального ЦАП в промежуточной точке m < N.
5. Напряжение смещения нуля – напряжение или ток на выходе ЦАП при подаче на его вход нулевого кода.

К динамическим характеристикам ЦАП относятся:

1. Максимальная частота преобразования fс макс - максимальная частота изменения входных кодов, допустимая для нормальной работы ЦАП.
2. Время установления ts – время от момента поступления двоичного кода на вход ЦАП до момента установления выходного напряжения или тока.

Обычно характеристики ЦАП связывают с минимальным шагом изменения выходного напряжения ΔUвых или тока ΔIвых. Так, абсолютная погрешность преобразования и нелинейность преобразования обычно равна минимальному шагу или, в точных ЦАПах, – половине минимального шага.

Исследование        цифро-аналоговых преобразователей с параллельным  суммированием токов

ЦАП с весовыми резисторами или с параллельным суммированием токов (рис. 1) содержит источник опорного напряжения Uоп, ключи X0, X1, X2 и X3, управляемые входным двоичным кодом, резисторы R1, R2, R3 и R4, включенные последовательно с ключами и суммирующий усилитель Оу.

Рис. 1. Схема цифро – аналогового преобразователя с параллельным суммированием токов.

Если разряд двоичного кода на входе ЦАП равен "1", то соответствующий переключатель подключает резистор к источнику опорного напряжения, если равен "0" – к "земле" (на схеме на вход ЦАП подано двоичное число (0011)). Сопротивление резисторов от младшего к старшим разрядам уменьшаются

R2 = R1/2,        R3 = R2/2,        R4 = R3/2        и т.д.

В результате величина (вес) тока, проходящего по каждому резистору, будет разным. Минимальный суммарный ток на выходе резисторной схемы будет при поступлении двоичного числа (0001) I0 = Uоп/R1. В результате на выходе Оу появится напряжение U1, равное минимальному шагу изменения выходного напряжения. Если на вход подать число 410 = (01002), то величина тока на выходе резисторной схемы будет равна I = Uоп/R3 = 4∙Uоп/R1 = 4∙I0 . Поэтому и величина напряжения U1 на выходе Оу будет в четыре раза больше.

Схема ЦАП с параллельным суммированием токов содержит минимальное число резисторов. Однако все резисторы имеют разное сопротивление, которое нужно получить с высокой точностью. Так, для 10-ти разрядного ЦАП точность подгонки резисторов должна быть 0.1%, что технологически выполнить чрезвычайно сложно. Поэтому схема ЦАП с параллельным суммированием токов применяется лишь при малом числе двоичных разрядов.

Практическое выполнение работы

В среде системы схемотехнического моделирования Micro-Cap  собрать схему цифро – аналогового преобразователя с параллельным суммированием токов (рис.2).Четырехразрядный цифровой код подается  с генератора цифрового кода U2, выходное напряжение полученного  аналогового сигнала подаётся на резистор R8.

Рис. 2. Схема цифро – аналогового преобразователя с параллельным суммированием токов в Micro-Cap  

Окно настроек режима анализа переходных процессов Analysis/Transient analysis показаны на рисунке 3.

Рис. 3. Окно настроек режима анализа переходных процессов Analysis/Transient analysis   

Настроенный генератор    четырехразрядного цифрового кода   U2 представлен в приложенном файле   DGen.cir. Это STIM-генератор Micro-Cap  использующий командный язык для создания цифрового сигнала любой формы. На рисунке 4 показан формируемый генератором цифровой код, который будет отображаться во вкладке 2 окна анализа переходных процессов Analysis/Transient analysis.

Рис. 4.   Код    сформированный четырехразрядным генератором цифрового кода 

Собрав схему выполнить моделирование работы ЦАП с весовыми резисторами. Представить временные диаграммы цифровых сигналов d(n) и осциллограмму выходного аналогового сигнала. Провести анализ схемы, сравнив выходное напряжение в точке Out для кодов 0001, 0100 и 1000  выбрав соответствующие значения времени  на диаграмме входных кодов и графике выходного напряжения V(out).  Проверить формулу

, где  Uоп=5В, D-десятичный эквивалент входного кода.

Контрольные вопросы

1. Основные характеристики ЦАП.
2. Принцип работы  ЦАП с весовыми резисторами.

Приложение