Классификация ЦАП, их основные параметры. ЦАП на основе взвешенных резисторов. ЦАП на основе резистивной сетки R-2R.

Классификация ЦАП, их основные параметры. ЦАП на основе взвешенных резисторов. ЦАП на основе резистивной сетки R–2R

ЦАП — цифро-аналоговый преобразователь. Он преобразует цифровой код в соответствующее аналоговое напряжение или ток.

1. Классификация ЦАП

ЦАП можно классифицировать по нескольким признакам.

По принципу построения

Основные типы:

• ЦАП на взвешенных резисторах;

• ЦАП на резистивной матрице R–2R;

• ЦАП на коммутируемых конденсаторах;

• токовые ЦАП;

• ЦАП с широтно-импульсной модуляцией;

• сигма-дельта ЦАП.

В учебных схемах чаще всего рассматриваются именно:

1. ЦАП со взвешенными резисторами;

2. ЦАП с матрицей R–2R.

По виду выходного сигнала

Различают:

• ЦАП с выходом по напряжению;

• ЦАП с выходом по току.

По разрядности

ЦАП бывают:

• 8-разрядные;

• 10-разрядные;

• 12-разрядные;

• 16-разрядные и т. д.

Чем больше разрядность, тем больше количество уровней выходного сигнала.

Количество уровней:

N=2nN=2^n

где nn — число разрядов.

Например, для 8-разрядного ЦАП:

28=2562^8=256

уровней.

Разрядность

Количество разрядов входного цифрового кода.

Например:

Разрешающая способность

Показывает минимальное изменение выходного сигнала при изменении входного кода на один младший разряд.

Приближённо:

ΔU=Uref2n\Delta U=\frac{U_{ref}}{2^n}

где:

• UrefU_{ref} — опорное напряжение;

• nn — разрядность.

Диапазон выходного сигнала

Например:

• 0–5 В;

• 0–10 В;

• ±10 В;

• 0–20 мА;

• 4–20 мА.

Точность

Показывает, насколько реальное выходное значение отличается от расчётного.

Нелинейность

Характеризует отклонение реальной зависимости выходного сигнала от идеальной прямой.

Монотонность

Если входной код увеличивается, выходной сигнал также должен увеличиваться и не уменьшаться.

Время установления

Время, необходимое выходному сигналу для установления после изменения цифрового кода.

В такой схеме используются резисторы с сопротивлениями:

R,  2R,  4R,  8R,  16R...R,\;2R,\;4R,\;8R,\;16R...

Каждому двоичному разряду соответствует определённый вес.

Например, для 4-разрядного ЦАП:

Каждый разряд через переключатель подключает свой резистор либо к опорному напряжению, либо к нулю.

Токи от всех ветвей суммируются, обычно с помощью операционного усилителя.

Упрощённо:

Старший разряд оказывает наибольшее влияние на выходной сигнал.

Пример

Для цифрового кода:

активны старший и второй младший разряды.

Их вклады суммируются и формируют соответствующее аналоговое напряжение.

Достоинства

• простая схема;

• понятный принцип действия;

• высокая скорость.

Недостатки

Главный недостаток — необходимость очень точно подобрать большое количество разных сопротивлений.

Например, в многоразрядном ЦАП могут потребоваться:

R,  2R,  4R,  8R,  16R,  32R...R,\;2R,\;4R,\;8R,\;16R,\;32R...

При увеличении разрядности обеспечить точность становится трудно.

В ЦАП R–2R используются резисторы только двух номиналов:

RR

и

2R2R

Резисторы соединяются в специальную лестничную схему.

Упрощённо:

Каждый цифровой разряд управляет переключателем, который подключает соответствующую ветвь либо:

• к опорному напряжению;

• к общему проводу.

В результате формируются токи с двоичными весами, которые суммируются и создают выходное аналоговое напряжение.

Почему используется R–2R

Основное преимущество — нужны всего два значения сопротивления.

Например:

Это значительно упрощает изготовление и повышает точность.

Достоинства R–2R

• только два номинала резисторов;

• легко увеличивать число разрядов;

• проще обеспечить точность;

• удобно реализовывать в микросхемах;

• хорошая повторяемость параметров;

• достаточно высокая скорость.

Недостатки

• требуется точное соотношение сопротивлений R и 2R;

• погрешность резисторов влияет на точность;

• переключатели также вносят погрешность.

Сравнение схем

Кратко для ответа по билету

ЦАП классифицируют по принципу построения, разрядности и виду выходного сигнала. Основные параметры ЦАП — разрядность, разрешающая способность, точность, нелинейность, монотонность, диапазон выходного сигнала и время установления.

В ЦАП на взвешенных резисторах используются сопротивления R,2R,4R,8RR, 2R, 4R, 8R, благодаря чему каждый двоичный разряд имеет свой вес. Недостаток такой схемы — необходимость большого количества очень точных номиналов сопротивлений.

В ЦАП на матрице R–2R используются только два сопротивления — RR и 2R2R. Это упрощает схему, позволяет легко увеличивать разрядность и поэтому широко применяется в практических ЦАП.