Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы (1988) (1095417), страница 92
Текст из файла (страница 92)
8 4 Цифро-аналоговые преобразователи Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) — это интегральная схема, которая преобразует входной цифровой код в выходное ~налоговое напряжение илн ток, являющиеся двоично-взвешенными эквивалентами входного цифрового кода. Простым при- 8ЗО Глава а мерам Лнразрядного ЦАП может служить схема на рис. 8 5 Выходное напряжение определяется выражением пеР -' аеР, а йеР» йеР ьу ьу ьу ь у о=- и й + З>1 + 4>< + З» >г> = 2(ЯР/р) Унси (Ь</2 + Ь>/4 + Ьа/8 + ° ° ° + Ь»/2 )> (8,4) где Ь, — старший значащий разряд Л(ВВ (СЗР), Ь, — следующяя разряд, .„, Ьн — л<ладший значащий разряд 1.5В (МЗР). »я,г »о Рис. 8.5.
Л>.разрядив>й цифре-аиааоговый преобразователь. Выходное напряжение, с<ютветствующее входному коду ... 0001, ратно Уо <ьзв> - 2(ЯР/Ж Упеи (1/2») = (ИР/Я) Упер(1/2» ') Выходное напряжение, соответствующее входному коду 1000 ...> равно Уо<мзв> = Уо<ьав>2» Максимальное напряжение на выходе вырабатывается, когда входной код равен 111 ..., и равно Уо <млх> —— 21'о <мьв>— — 1'о <ьзв> = (2» — 1) 1/о <> зв> = 21'о <мяв> (1 — 1/2»). лп<нальное выходное напрявкение полной разрядной сетки апре. делается выражением Уо <гз> = 2Уо <мъо> = 2 Уо <ьав> (8.5) и, таким образом, больше максимального выходного напряжения на 1 о <ьзв> Во многих ЦАП выходное напряжение полной разрядной сетки устанавливается равным 10,000 В, Следовательно, в 4-разрядном (Л> = 4) ЦАП Уо<,ав> = 1000 В/2» — 1000/24 0,625 В. Выходное напряжение, соответствующее входному коду 1000> Равно Уо<мзв> — — Уо <Рз>/2 = 5,00 В, а выходное напРЯженпе пр" Интеесальные схемы гигциахьиага наэначенин бз! ходном коде 1111 пРинимает значение Уо >мах~ = !'о ша>— = 10,00 — 0,625 = 9,375 В, На рис, 8,6 показана идеальная передаточная характеристика 4.разрядного ЦАП.
Для такого идеального ЦАП огибающая передаточной характеристики — прямая линия, проходящая через начало координаг (т. е. Уо = 0 при входном коде 0000) и точку Уо >мах> = 1'о саэ> — Уо оыав> при входном коде 1111. Сущее>- якалсессгсв агасснсе лааствдсексгв >га(еов) Рнс. 6.6. Передаточная характеристика ндеадь. ного 4-разрядного ЦАП, п оооо> >В уасвнесс г(ифрсвай схссь'ай касу — снует большое кол>>честнот ЦАП различного типа с разрядностью входного кода от 8 до 16 и с временем преобразования от 6 мко до 35 нс. 8.5. Аналого-цифровые преобразователи Аналого-цифровой преобразователь (АЦ11) преобразует аналоговое входное напряжение в выходной двоичный цифровой код, соответствующий квантованному аналоговому входному сигналу.
На рис. 8.7, а показана передаточная характеристика АЦП. Отметим, что выходной цифровой код может принимать только определенные дискретные значения, поэтому в процессе преобРазования неизбежны систематические ошибки, которые называются ошибками квантования. Ошибка квантования определяется как разность между аналоговым напряжением, которое соответствует цифровому выходному коду, и реальным входным аналоговым напряжением. На рис.
8.7, б представлен график ошибки квантования, соответствующий передаточной характеристике на', Глава а рнс. 8.7, а Отметим, что максимальная ошибка квантования равна цене младшего разряда входного кода (! МЗР) Макспмальная ошибка квантования может быть уменьшена до ~0,5 МЗР прн дополнительном смещении входного аналого. ного сигнала на — 0,5 МЗР, или на +0,5 МЗР опорного напряже.
ння, с которым сравнивается аналоговый сигнал. Передаточная 00111 оо«о ОО101 ч> ф „ ОО>ОО «1 'Ы .. ОШ1 НЬ .. ООО>О 4 ...ОСОО1 1,О 2,0 3,0 4,0 0,0 6,0 т 0 Авалегвдве бхвбвее налрвгкение и о ,й чы йе -1 ИЗР е> х Рнс, 8.7. а — передаточная характеристика; б — оноибка квантовании АШЧ. характернстнка, полученная прн смещении на 0,5 МЗР, показана на рпс. 8.8, а, а соответствующее распределение ошибки квантовання — на рнс.
8.8, б. Отметим, что макснмальная ошибка квантовання, равная ~0,5 МЗР, присутствует в каждом подднапазоне входного напр я женя я. Для иллюстрации влияния сдвига на 0,5 МЗР на ошибку квантования рассмотрим 3-разрядный параллельный АЦП Предпо ло>кнм, что напряжение, соответствующее кванту младше>о разряда, равно 1,0 В, а входное напряжение полной разрядной Иннмгролынне елены енецнального ноэначеннд 633 ки 6 В. Без сдвига на 0,5 МЗР опорные напряжения семи компа а а второе напряжения будут равны 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0 и ~0 В Цифровой выходной код будет определяться следующей таблипей! диалоговый эквивалент выводного иоде диалоговое входное наиааженне Выходной иод 0 1,О 83,0 4,0 ООП ! , ° 00!!О 1,0 2 0 2,0 4 0 Ь,О 6,0 7,0 Янгглатадаа Вкаанаа лалрнжан(та ЬГ 3 +1/2 МЗР О эа са -!!2НЬР 1,0 2 О 2,0 4ао 6,0 6,0 7,0 6,0 Аналагабаа 6каанае напряжайна Е ~ис 8.8.
Передаточная характеристика (а) н ошибка квантования (б) АЦП при смещении аналогового входного напряжения на 0,6 МЗР. О ( Ул ( 1 0 1,0 ( Ул (2,0 2,0 ( 1'л ( 3*0 3,0 ( Ул ( 4*0 4,0( Ул ( 6,0 6',О«-рл«..б,'0 8,0 ( Ул ( 7,0 70( Ул(8,0 .. ° ОО!О! „, ОО1ОО аи ,О „, Соо!! й',, Оса!О г „, ОООО! 000 00! 010 О11 100 101 110 !11 Глава В Максимальный цифровой выходной код равен 111, а ошибк~ квантования в каждом одновольтовом (1 МЗР) поддипазоне вход ного напряжения — 1 МЗР.
Если теперь все опорные напряжения уменьшить на 0,5 МЗР, то онч будут равны 0,5, 1,5, 2,5, „ 6,5 В, в результате передато шая характеристика будет апреле. ляться таблицей: дгсвдоговыд э»вне»вене ввэлодссосо нодо Асс»носовое входное »вор»»гение Заводной нод 000 601 шо О!! 100 !о! 1!О 11! 0 1,О 2,0 3,0 4,0 50 6,0 7,0 0( 'г'л(0,5 0,5 ( Ул (1,5 1,5( !гл(2,5 2,5 ( !гл ( 3,5 3 6 ( !'л ( 4 5 4,5( 1'л(5,5 го,5 !'л ( 6,5 6,5 ° 1гл ( 7,5 Максимальная ошибка квантования в каждом поддиапазоне равна 0,5 МЗР. 85,/, Париллельнмй преоГэразава!пель, Самым быстродействующим тьц!ом ЛЦП является параллельный АЦП.
Примером 8-разрядного параллельного ЛЦП может служить схема на рис. 8.9. Для реализации зикого АЦП необходимо семь компараторов. В общем случае для Лс-разрядного АЦП параллельного типа пеобходи э!ос число компараторов определяется по формуле 2" — 1. Хотя параллельные ЛЦП и имеют очень высокое быстродействие, число компараторов, необходимое для их реализации, очень быстро растет с увеличением Лс, поэтому создание таких АЦП с раз.
рядностью больше 8 или 4 становится нерациональным. С помощью делителя напряжения опорное напряжение распределяется между компараторами следующим образо!и 1'и, = Уаар (Й/2)/7/7 Уянр/!4, Уя, = ЗУяер/14, Уа, 5Уяер/14, Уа, = 71'авр/14, Уа, = 9Унвр/14, = 1)Уарр/14 и Ус1, = 18Унвр/14. Передаточная характеристика АЦП для нормированного входного напряжения Ул/(Уясг/7) приведена на рис.
8.8, а. Осиибка квантования АЦП вЂ” это диапазон изменения входного аналогового напряжения, при котором выходной цифровой код остается постоянным, причем измерение этого напряжени~ производится по отношению к среднему значению аналогового входного напряжения. Для АцГ! на рис. 8.9 уровни опорных напряжений на компараторах выбраны так, что распределение ошибки квантования равномерно, поэтому для всех выходных логических УРовней оиа одинакова и Равна Уиер/14. Поскольку Инлгегральные схемы елеяиального наэнач нна „апазон изменения входного аналогового напряжения, соответ твующий изменению выходного кода на 1 МЗР, равен 21ги иг'!4, шнбку квантования 1гае„/14 можно представить как ~0,5 МЗР.
Существуют параллельные АЦП с временем преобразования до 10 нс, что соответствует 10' циклам преобразования за секунду. гььг ЧА ьМа рис. 8.9. Параллельный аналого-цвфровой враоа разователь. о.б.у. Счетные Аг41г. Во многих АЦП в цепи обратной связи используется ЦАП. Простейшим АЦП с ЦАП в цепи обратной связи является счетный ЛЦП (рис. 8.10, а1. Цифровой выход гу.разрядного двоичного счетчика соединен с Аг-разрядным цАП, который вырабатывает выходное напряжение ступенчатой формы Глаза В взе (рис. 8.!О, б). Выходное напряжение ЦАП дискретно увели пь вается от 1~'ьзв до напряжения полной разрядной сетки 2м$~ На компараторе это напряжение сравнивается с входным аналого.
вым напряжением, и, до тех пор пока напряжение ЦАП ниже ча Ан сета ла Рис. В.!0. Счетный аналого-цифровой преобразователь; а — струитурная схемаЗ б — форма выходного напряжения ПАП. аналогового входного напряжения У„, на выходе компаратора присутствует высокий уровень. Этот уровень удерживает вентиль От в открытом состоянии, и синхроимпульсы, проходя через него, попадают на счетчик, увеличение выходного кода которого вызывает дальнейшее нарастание выходного напряжения ЦАП. Как только напряжение ЦАП становится выше уровня аналог'и Инепегральнеее схема специального назначения озт рого го входного напряжения, на выходе компаратора появляется низкий уровень. При этом вентиль 6, закрывается и счетчик пере. с~ает считать. Через некоторое время уровень сигнала СТРОБ становится ысоким, У-разрядный выходной вентиль открывается, и двоич„ь;й код со счетчика поступает на цифровой выход АЦП.
После „„,ончания импульса СТРОБ импульс СБРОС производит об„х ление счетчика, после чего он снова начинает считать и, таким оразом, начинаезся следующий цикл преобразования. Для обработки входного напряжения полной разрядной сетки в А'-разрядном счетном преобразователе необходимо 2" синхро. импульсов, поэтому такой тип АЦП относится к относительно медленным преобразователям. В !4.разрядном АЦП такого типа время преобразования равно 2"Т, = 16 364Т,.
Если принять Тг = 100 нс (вполне разумная величина), то результирующее время преобразования будет 1,64 мс, а соответствующая скорость — 610 циклов преобразования в секунду. Среднее время преобразования можно существенно сократить, если вместо обычного двоичного счетчика использовать реверсивный счетчик и если пикл преобразования заканчивать сразу же после остановки счетчика. Такой тип счетного АЦП называется следящим АЦП. В таком преобразователе счетчик не сбрасывается в нуль перед началом очередного цикла преобразования, а вы. рабатывается команда на счет либо в положительную, либо в отрицательную сторону от предыдущего состояния счетчика, зависит это от того, было ли аналоговое входное напряжение соответственно выше или ниже выходного напряжения ЦАП перед на. чалом цикла преобразования. При медленном изменении входного аналогового напряжения изменение состояния счетчика, необходимое для согласования напряжения ЦАП с входным аналоговым напряжением, будет мало, поэтому цикл преобразования будет очень коротким.
Если же входное аналоговое напряжение изменяется на величину напряжения полной разрядной сетки за короткий временной интервал, то необходимое время преобразования становится равным времени преобразования простого счетного АЦП. Точность счетного АЦП является функцией напряжения смещения, коэффициента усиления по напряжению компаратора и точности ЦАП.
Чаще всего основным фактором, определяющим точность АЦП, является точность ЦАП. Данный тип АЦП относится к АЦП с обратной связью, по. скольку компаратор охвачен петлей обратной связи. Цепь об. Ратной связи включает в себя вентиль О„двоичный счетчик и ЦАП. Другим типом АЦП с обратной связью, в цепи обратной связи которого стоит ЦАГ!, является АЦП последовательных приближений. Точность таких АЦП в основном такая же, как и у счет- Геоал В ных АЦП, ио время преобразования у них существенно меньше что объясняет их очень широкое распространение. 8.5.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
