Применение ЦАП
Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код - аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы. Ниже рассмотрены некоторые схемы обработки сигналов, включающие ЦА-преобразователи.
Обработка чисел, имеющих знак
До сих пор при описании цифро-аналоговых преобразователей входная цифровая информация представлялся в виде чисел натурального ряда (униполярных). Обработка целых чисел (биполярных) имеет определенные особенности. Обычно двоичные целые числа представляются с использованием дополнительного кода. Таким путем с помощью восьми разрядов можно представить числа в диапазоне от -128 до +127. При вводе чисел в ЦАП этот диапазон чисел сдвигают до 0 ... 255 путем добавления 128. Числа, больше 128, при этом считаются положительными, а числа, меньшие 128, - отрицательное. Среднее число 128 соответствует нулю. Такое представление чисел со знаком, называется смещенным кодом. Добавление числа, что составляет половину полной шкалы данной разрядности (в нашем примере это 128), можно легко выполнить путем инверсии старшего (знакового) разряда. Соответствие рассмотренных кодов иллюстрируется табл. 1.
Таблица 1
| Десятичный | Дополнительный | Смещенный | Аналог I / I макс | ||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Чтобы получить выходной сигнал с правильным знаком, необходимо осуществить обратный сдвиг путем вычитания тока или напряжения, что составляет половину шкалы преобразователя. Для разных типов ЦАП это можно сделать разными спос бами. Например, в ЦАП на источниках тока, диапазон изменения опорного напряжения ограничен, причем выходное напряжение имеет полярность обратную полярности опорного напряжения. В этом случае биполярный режим проще реализуется путем включения дополнительного резистора смещения R зм между выходом ЦАП и входом опорного напряжения (рис. 18а). Резистор R зм изготавливается на кристалле ИМС. Его сопротивление выбран таким, чтобы ток I изменения составлял половину максимального значения выходного тока ЦАП.
В принципе, аналогично можно решить задачу смещения выходного тока и для ЦАП на МОП-ключах. Для этого нужно проинвертуваты опорную напряжение, а затем сформировать из-Uоп ток смещения, который нужно вычесть из выходного тока ЦАП. Однако для сохранения температурной стабильности лучше обеспечить формирование тока смещения непосредственно в ЦАП. Для этого в схему на рис. 8а вводят второй операционный усилитель и второй выход ЦАП подключают ко входу этого ОП (рис. 18б).
Второй выходной ток ЦАП, согласно (10),
 | (21) |
На входе ОП1 ток I 'вых суммируется с током I мр, что соответствует единице младшего разряда входного кода. Суммарный ток инвертируется. Ток, протекающий через резистор обратной связи R зз ОП2, составляет
 | (22) |
или, с учетом (8)
 | (23) |
При
 | (24) |
а при
 | (25) |
Это в случае N = 8 с точностью до множителя 2 совпадает с данными табл. 6, с вахуванням того, что для преобразователя на МОП-ключах максимальный выходной ток
Если резисторы R2 хорошо согласованы по сопротивлению, то абсолютное изменение их величины при колебаниях температуры не влияет на выходное напряжение схемы
В цифро-аналоговых преобразователей с выходным сигналом в виде напряжения, построенных на инверсный резистивные матрицы (рис. 9), можно проще реализовать биполярный режим (рис. 18в). Как правило, такие ЦАП содержат на кристалле выходной буферный усилитель. Для работы ЦАП в униполярные включении свободный вывод нижнего по схеме резистора R не пидьеднюють или пидьеднюють к общей точке схемы для удвоения выходного напряжения. Для работы в биполярном включении свободный вывод этого резистора з'еднюють с входом опорного напряжения ЦАП. Но в этом случае работает в дифференциальном включение и его выходное напряжение с учетом (16)
 | (26) |
Перемножникы и делители функций
Как уже указывалось выше, ЦА-преобразователи на МОП-ключах, допускают изменение опорного напряжения в широких пределах, в том числе и изменение полярности. Из формул (8) и (17) следует, что выходное напряжение ЦАП пропорционально произведению опор
ого напряжения на входной цифровой код. Это обстоятельство позволяет непосредственно использовать такие ЦАП для перемножения аналогового сигнала на цифровой код
При униполярные включении ЦАП выходной сигнал пропорционален произведению двохполярного аналогового сигнала на однополярный цифровой код. Такой перемножник называют двохквандрантним. При биполярном включении ЦАП (рис. 18б и 18в) выходной сигнал пропорционален произведению двохполярного аналогового сигнала на двохполярний цифровой код. Эта схема может работать как чотирьохквандрантний перемножник
Деление входного напряжения на цифровой масштаб M D = D / 2 N выполняется с помощью схемы двохквандрантного делителя (рис. 19).
В схеме на рис. 19а преобразователь на МОП-ключах с токовой выходом работает как преобразователь "напряжение-ток", управляемый кодом D и включен в круг обратной связи ОП. Входное напряжение подается на свободный вывод резистора обратной связи ЦАП, который размещен на кристалле ИМС. В этой схеме выходной ток ЦАП
что при выполнении условия R зз = R дает:
Следует отметить, что при коде "все нули" обратная связь размыкается. Предотвратить этот режим можно, либо запретив такой код программно, либо включив между выходом и инвертуючим входом ОП резистор с сопротивлением, который равен R · 2 N +1.
Схема делителя на основе ЦАП с выходом в виде напряжения, построенном на инверсный резистивные матрицы и содержащим буферный ОП, приведенная на рис. 8.19б. Выходное и входное напряжения этой схемы связаны уравнением
 | (27) |
Отсюда следует
В данной схеме усилитель охвачен как положительным, так и отрицательным возвратными связями. Для преимущества отрицательной обратной связи (иначе ОП превратится в компаратор) необходимо обеспечить выполнение условия D <2 N-1 или M D <1 / 2. Это ограничивает значение входного кода нижней половиной шкалы
Аттенюаторы и интеграторы на ЦАП
Аттенюаторы, т.е. регуляторы уровня сигнала, с цифровым управлением гораздо надежнее и долговечнее, чем традиционные аттенюаторы на основе переменных резисторов. Их целесообразно использовать в измерительных приборах и других устройствах, требует подстройки параметров, особенно автоматической. Такие аттенюаторы можно проще построить на основе перемножуючого ЦАП с инверсной резистивной матрицей и буферным усилителем. В принципе для этой цели подойдет любой ЦАП указанного типа, но некоторыми фирмами выпускаются преобразователи, оптимизированные для выполнения указанной функции. На рис. 20а приведена схема аттенюаторы на переменном резисторе, а на рис. 20б - аналогичная схема на перемножуючому ЦАП.
Если входной сигнал - однополярный, целесообразно использовать ЦАП с однополярным питанием, но буферный ОП должен иметь выход "rail-to-rail", т.е. его выходное напряжение должно достигать нуля и напряжения питания. Если ЦАП - многоканальный, то у каждого преобразователя микросхемы должен быть индивидуальный вход опорного напряжения. Этим требованиям в разной степени удовлетворяют такие ИМС ЦАП, как 2-х канальный 12-разрядный МАХ532, 4-х канальный 8-разрядный МАХ509, 8-ми канальный 8-разрядный AD8441, 8-ми канальный 8-разрядный DAC-8841 и др. .
Для построения интегратора с цифровой установкой постоянной времени интегрирования можно использовать базовую схему интегратора, а как входной резистор включить ЦАП с суммированием напряжений (рис. 12). На базе такой схемы можно построить фильтры, в том числе фильтры на основе метода переменных состояния, перестроений генераторы импульсов и т.д.
Системы прямого цифрового синтеза сигналов
Важной областью применения ЦАП является синтез аналоговых сигналов необходимой формы. Аналоговые генераторы сигналов - синусоидальной, треугольной и прямоугольной форм - имеют низкую точность и стабильность, не могут управляться от ЭВМ. В последние годы получили развитие системы прямого цифрового синтеза сигналов, обеспечивающие высокую точность задания частоты и начальной фазы сигналов, а также высокую верность воспроизведения их формы. Более того, эти системы позволяют генерировать сигналы большого многообразия форм, в том числе и форм, задаваемых пользователем. Упрощенная блок-схема генератора прямого цифрового синтеза сигналов приведена на рис. 21 <. P>
В принципе, системы прямого цифрового синтеза просты. Более того, теория и основные способы построения таких систем известны уже около 30 лет. Правда, только недавно появились ЦАП и специализированные аналого-цифровые ИМС, подходящие для синтеза сигналов в широкой полосе частот
Схема прямого цифрового синтеза содержит три основных блока: генератор фазового угла, память и ЦАП. Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливая сумматор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает прирост на некоторое фазовый угол через заданные промежутки времени. Прирост фазы Dj загружается в виде цифрового кода во входящие регистры. Память играет роль таблицы функций. Код текущей фазы поступает на ее адресные входы, а с выхода данных на вход ЦА-преобразователя поступает код, соответствующий текущему значению заданной функции. ЦАП в свою очередь формирует аналоговый сигнал
Регистр содержит текущую фазу выходного сигнала в виде целого числа, которое будучи поделено на 2N, где N-разрядность сумматора, равно судьбы периода. Увеличение разрядности регистра повышает только разрешение этой судьбы. Частота выходного сигнала равна произведению частоты тактов f такт на прирост фазы в каждом периоде тактов. При использовании N-разрядного сумматора частота выходного сигнала будет равна
Генераторы прямого синтеза выпускаются в виде ИМС. В частности, микросхема AD9850, упрощенная структура которой представлена на рис. 21, содержит 32-разрядный генератор фазового угла и 10-разрядный ЦАП. Загрузка прироста фазы осуществляется по 8-разрядной шине данных побайтово в четыре входных регистры. Память содержит таблицу синусов. Максимально допустимая тактовая частота составляет 125Мгц. При этом разрешение по частоте составляет 0,0291 Гц. Быстрый интерфейс позволяет изменять частоту выходного сигнала до 23 миллионов раз в секунду.
