Цифро-аналоговые преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - это устройство для преобразования цифрового кода в аналоговый сигнал по величине, пропорциональной значению кода.

Простейшая схема ЦАП

Ключ S₅ замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи 8₁...8₄ (при этом U_вых = 0). U_o – опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП – суммирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ S1, то , что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах. Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1...S4. Токи ключей S1...S4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы. Из вышеизложенного следует, что

Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R–2R (матрицы постоянного сопротивления)

В схеме использованы перекидные ключи S1...S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи Sl...S4 подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей Sl...S4. Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каждый из ключей S1...S4 подключен к общей точке. Тогда, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»... «d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а», (напряжения U_a, U_b, U_c и U_d в указанных точках определяются следующим образом: U_d = U₀; U_c = U_o/2; U_b = U₀/4;
U_d = U₀/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжение в точках «a»... «d» не изменяется, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

т. е. , где S_i, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

На основе матрицы R-2R выполнены 12-ти разрядные ЦАП распространенных микросхем серии 572, 1108, 1118.