Назначение ЦАП, принципы, положенные в основу их работы.

Назначение ЦАП, принципы, положенные в основу их работы

ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. Он предназначен для преобразования цифрового кода в соответствующий ему аналоговый сигнал — чаще всего в напряжение или ток.

ЦАП применяется там, где цифровая система должна управлять аналоговым устройством.

Назначение ЦАП

ЦАП используют для:

• формирования аналогового напряжения;

• формирования аналогового тока;

• управления исполнительными механизмами;

• задания скорости электропривода;

• формирования звуковых сигналов;

• управления аналоговыми регуляторами;

• формирования опорных сигналов;

• преобразования цифровых данных микроконтроллера в аналоговый сигнал.

В системах автоматизации ЦАП может, например, преобразовать цифровое значение контроллера в сигнал:

• 0–10 В;

• 4–20 мА;

• другой стандартный аналоговый сигнал.

Основной принцип работы

На вход ЦАП поступает двоичный код:

Каждому цифровому коду соответствует определённый уровень выходного напряжения или тока.

Например, для 4-разрядного ЦАП с диапазоном 0–10 В:

Промежуточным кодам соответствуют промежуточные значения напряжения.

Таким образом, чем больше входной цифровой код, тем больше выходной аналоговый сигнал.

Принцип взвешивания разрядов

Один из основных принципов работы ЦАП заключается в том, что каждый двоичный разряд имеет свой вес.

Для 4-разрядного числа:

веса разрядов составляют:

Каждый установленный в 1 разряд вносит свой вклад в выходной сигнал.

Например:

соответствует:

8+2=108+2=10

Именно сумма вкладов отдельных разрядов формирует выходной аналоговый уровень.

Резистивный ЦАП с двоично-взвешенными резисторами

В таком ЦАП применяются резисторы с сопротивлениями:

R, 2R, 4R, 8RR,\ 2R,\ 4R,\ 8R

Каждый двоичный разряд подключает свой резистивный канал к опорному напряжению или к нулю.

Токи от всех каналов суммируются, в результате формируется аналоговое напряжение.

Преимущество схемы — простота.

Недостаток — при большом числе разрядов требуется широкий набор очень точно согласованных сопротивлений.

ЦАП на матрице R–2R

Очень распространён принцип построения ЦАП — резистивная матрица R–2R.

В ней используются резисторы только двух номиналов:

RR

и

2R2R

Каждый двоичный разряд через переключатель подключается либо к опорному напряжению, либо к общему проводу.

В результате токи или напряжения суммируются.

Преимущества схемы R–2R:

• нужны только два номинала резисторов;

• проще обеспечить точность;

• удобно увеличивать разрядность;

• схема хорошо подходит для интегрального исполнения.

Опорное напряжение

Работа ЦАП связана с опорным напряжением UrefU_{ref}.

Выходной сигнал определяется:

• значением цифрового кода;

• разрядностью ЦАП;

• величиной опорного напряжения.

В упрощённом виде:

Uout≈Uref⋅D2nU_{out}\approx U_{ref}\cdot \frac{D}{2^n}

где:

• UoutU_{out} — выходное напряжение;

• UrefU_{ref} — опорное напряжение;

• DD — значение цифрового кода;

• nn — количество разрядов ЦАП.

Разрядность ЦАП

Разрядность определяет количество возможных уровней выходного сигнала.

Для nn-разрядного ЦАП количество кодовых комбинаций:

N=2nN=2^n

Например:

• 8 бит — 256 уровней;

• 10 бит — 1024 уровня;

• 12 бит — 4096 уровней;

• 16 бит — 65536 уровней.

Чем выше разрядность, тем меньше шаг изменения выходного сигнала.

Шаг преобразования

Приблизительная величина одного младшего разряда:

ΔU=Uref2n\Delta U=\frac{U_{ref}}{2^n}

Например, при:

Uref=5 ВU_{ref}=5\text{ В}

и разрядности 8 бит:

ΔU=5256≈0,0195 В\Delta U=\frac{5}{256}\approx0{,}0195\text{ В}

То есть изменение цифрового кода на единицу изменяет выход примерно на 19,5 мВ.

Основные характеристики ЦАП

К основным характеристикам относятся:

• разрядность;

• диапазон выходного сигнала;

• разрешающая способность;

• точность;

• нелинейность;

• время установления выходного сигнала;

• опорное напряжение;

• монотонность преобразования.

Кратко для ответа по билету

ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь, предназначенный для преобразования цифрового кода в аналоговое напряжение или ток. В основу его работы положен принцип суммирования вкладов двоичных разрядов, каждый из которых имеет определённый вес. ЦАП может строиться на двоично-взвешенных резисторах или на матрице R–2R. Выходной сигнал зависит от цифрового кода, опорного напряжения и разрядности преобразователя. Чем выше разрядность ЦАП, тем точнее можно сформировать аналоговый сигнал.