Принцип работы ЦАП строкового типа, организация сегментированного ЦАП.

Принцип работы ЦАП строкового типа, организация сегментированного ЦАП

ЦАП строкового типа — это цифро-аналоговый преобразователь, в котором используется последовательная цепочка одинаковых резисторов. Такая цепочка образует набор фиксированных уровней напряжения, один из которых выбирается в соответствии с входным цифровым кодом.

1. ЦАП строкового типа

Основой такого ЦАП является резистивная строка из одинаковых сопротивлений:

В точках между резисторами формируются различные уровни напряжения.

К этим точкам подключаются электронные ключи.

Цифровой код поступает на дешифратор, который открывает нужный ключ:

Например, увеличение цифрового кода приводит к выбору следующей точки резистивной цепи и соответствующему изменению выходного напряжения.

2. Количество уровней

Для nn-разрядного ЦАП число возможных цифровых комбинаций:

N=2nN=2^n

Поэтому необходимо получить соответствующее количество уровней выходного сигнала.

Например:

• 4 бита — 16 уровней;

• 8 бит — 256 уровней;

• 10 бит — 1024 уровня.

Чем выше разрядность строкового ЦАП, тем больше требуется резисторов и ключей.

3. Шаг выходного напряжения

Приблизительно один шаг преобразования определяется:

ΔU=Uref2n\Delta U=\frac{U_{ref}}{2^n}

где:

• UrefU_{ref} — опорное напряжение;

• nn — разрядность ЦАП.

Например, при:

Uref=5 ВU_{ref}=5\text{ В}

и разрядности 8 бит:

ΔU=5256≈19,5 мВ\Delta U=\frac{5}{256}\approx19{,}5\text{ мВ}

4. Достоинства строкового ЦАП

Основные преимущества:

• простота принципа работы;

• используются одинаковые резисторы;

• хорошая линейность при точном изготовлении;

• высокая монотонность;

• небольшой риск появления пропущенных уровней;

• удобен для интегрального изготовления.

Монотонность означает, что при увеличении цифрового кода выходное напряжение не должно уменьшаться.

5. Недостатки строкового ЦАП

Главный недостаток — большое количество элементов.

Для высокой разрядности требуется много:

• резисторов;

• ключей;

• соединений;

• площади на кристалле.

Например, для 8-разрядного ЦАП необходимо получить 256 уровней, а для 12-разрядного:

212=40962^{12}=4096

уровней.

Поэтому чисто строковая схема становится неудобной при большой разрядности.

Сегментированный ЦАП представляет собой комбинацию нескольких способов цифро-аналогового преобразования.

Цифровое слово разделяется на несколько частей — сегментов.

Обычно:

• старшие разряды преобразуются одним способом;

• младшие разряды — другим.

Например:

Старшие 4 бита могут обрабатываться строковым или термометрическим ЦАП, а младшие 4 бита — матрицей R–2R.

7. Принцип работы сегментированного ЦАП

Допустим, имеется 8-разрядный ЦАП.

Код разделяется:

Упрощённо:

Uout=Uстарших+UмладшихU_{out}=U_{старших}+U_{младших}

Например:

Таким образом, не требуется строить огромную резистивную строку для всех разрядов.

8. Зачем применяется сегментирование

Сегментирование позволяет совместить преимущества разных архитектур.

Например:

Старшие разряды можно реализовать в термометрическом или строковом виде, что обеспечивает:

• хорошую монотонность;

• уменьшение переходных выбросов;

• высокую точность крупных ступеней.

Младшие разряды реализуются бинарным способом, например R–2R, что уменьшает:

• количество элементов;

• площадь схемы;

• сложность устройства.

9. Пример сегментирования

Рассмотрим 8-разрядный ЦАП:

Разделим его на две части:

• 1011 — старшая часть;

• 0110 — младшая часть.

Старшая часть задаёт основной уровень выходного сигнала.

Младшая часть добавляет к нему небольшую величину с более мелким шагом.

Так обеспечивается высокая разрядность без чрезмерного увеличения количества компонентов.

10. Достоинства сегментированного ЦАП

• уменьшение количества резисторов и ключей;

• хорошая монотонность;

• высокая точность;

• уменьшение переходных выбросов;

• возможность получить большую разрядность;

• уменьшение площади интегральной схемы;

• хорошее соотношение между скоростью и точностью.

11. Недостатки сегментированного ЦАП

• схема сложнее обычного ЦАП;

• требуется точное согласование сегментов;

• необходимо обеспечить правильное суммирование выходов;

• возможны погрешности на границе переключения сегментов.

Сравнение

Кратко для ответа по билету

Строковый ЦАП состоит из цепочки одинаковых резисторов, образующих делитель напряжения. Цифровой код через дешифратор выбирает один из отводов резистивной строки, соответствующий требуемому выходному напряжению. Основные достоинства — простота и хорошая монотонность, недостаток — большое количество резисторов и ключей при высокой разрядности.

Сегментированный ЦАП делит цифровой код на несколько частей. Старшие разряды могут преобразовываться строковой или термометрической схемой, а младшие — например, с помощью матрицы R–2R. Это позволяет уменьшить число элементов, сохранить высокую точность и монотонность и получить ЦАП большой разрядности.