Структура резистивных матриц ЦАП

Лабораторная работа 35 (Lr35)

ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Ознакомление с принципом работы и испытание интегрального цифро­ана­логового преобразователя.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И РАСЧЁТНЫЕ ФОРМУЛЫ

СТРУКТУРА РЕЗИСТИВНЫХ МАТРИЦ ЦАП

При построении устройств, связывающих цифровое устройство с объектами, использующими информацию в непрерывно изменяющейся форме, требуется пре­образование информации из аналоговой формы в цифровую и из цифро­вой в аналоговую.Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование непрерывно изменяющихся во времени аналоговых значений физической величины (напряжения, тока) в эквивалентные значения числовых кодов, называют аналого-цифро­вым преобразователем (АЦП). Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование входных зна­чений, представленных числовыми кодами, в эквивалентные им значения какой-нибудь физической величины (напряжения, тока и др.), называют цифроаналоговым преобразователем (ЦАП).

Существует два широко распространенных способа цифроаналого­вого преобразования с использованием:

· резистивной матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями;

· резистивной матрицы с двумя номиналами сопротивлений, которую обычно называют матрицей R –2 R.

ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 35.1, б) состоит: из п переключателей S_i (по одному на каждый разряд), управляемых двоичным кодом А_i; из матрицы двоично-взвешенных резисторов с сопротивлениями 2 ^{п- 1} R; источ­ника опорного напряжения u ₀ и выходного операционного усилителя ОУ, с по­мощью которого суммируются токи, протекающие через резисторы с двоично-взве­шен­ными сопротивлениями, для получения аналогового выходного напряжения u_вых.

Каждый i -й разряд управляет переключателем S_i, который подключается к источнику опорного напряжения u ₀, когда а_i = 1, или к общей шине, когда а_i = 0. Сопротивления резисторов 2 ^{n- 1} R (п – номер разряда входного кода), соединенных с ключами, таковы, что обеспечивают пропорциональность в них тока двоичному весу соответствующего разряда входного кода. Следовательно, ток на входе ОУ и выходное напряжение ЦАП:

Напряжение на выходе ЦАП пропорционально " весу" присутствующего на входах кода, а максимальное значение имеет место, когда все разряды примут значение 1, т. е.

и оно всегда меньше опорного напряжения на шаг квантования u_oR_ос /(2 ⁿR).

Номиналы сопротивлений резисторов в младшем и старшем разрядах отличаются в 2 ^{п -1} раз и должны быть выдержаны с высокой точностью. Например, для 12-разрядного ЦАП использование в старшем разряде резистора с сопротивлением 10 кОм потребует включения в младший разряд пре­образователя резистора с сопротивлением порядка 20 МОм. Широкий набор номиналов резисторов и требования их высокой точности, в особенности при значительном числе разрядов п входного кода, создают трудности при реализации ЦАП посредством интегральной технологии.

Во второй схеме ЦАП с матрицей R-2R используют резисторы с двумя номиналами сопроти­влений, причём резисторы с сопротивлением R включены в каждый разряд (см. рис. 35.2 при п = 3). Однако в этой схеме уве­личиваются значения паразитных ём­­костей.

Принцип функционирования схемы основан на свойстве резистивного делителя R- 2 R сохранять постоянное сопротивление нагрузки для источника опорного напряжения при замыкании ключей. Вследствие этого на выводах резистора R, начиная со старшего п - 1 разряда, опорное напряжение последовательно делится пополам, как и входящий в каждый узел матрицы ток. При этом нап­ря­жение на выходе преобразователя с матрицей R –2 R:

Таким образом, выходное напряжение ЦАП пропорционально сумме напряжений со своими весами, обусловленными переключателями, под­­­ключенными к источнику опорного напряжения u ₀.

Недостатком ЦАП с матрицей R –2 R является сильное влияние на точность преобразования нестабильности сопротивлений переключателей в замкнутом состоянии, что снижает временную и температурную стабильность характеристик ЦАП. Этот недостаток в значительной степени удаётся устранить в схемах код-напряжение, выполненных на базе полупроводниковой технологии с использованием тонкоплёночных резисторов на кристалле и переключателей на КМДП-транзисторах, в которых нелинейность от ±0, 8% до ±0, 003% от опорного напряжения u_о, время установления тока от 5 мкс до десятых долей микросекунд и менее, часто выходной диапазон напряжения ±5 В. Опорное напряжение в схемах ЦАП может выбираться разной полярности или двуполярным.