Цифро-аналоговые преобразователи. 
Системы автоматического управления высшей точности

Применение цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) может преследовать следующие цели, представленные ниже.

• 1. Формирование опорного или медленно меняющегося напряжения, величина которого управляется программно.
• 2. Изменение коэффициента усиления линейного звена.
• 3. Изменение постоянной времени активного фильтра или интегратора.
• 4. Реализация интегратора (совместно с реверсивным счетчиком и преобразователем «амплитуда — частота»).
• 5. Формирование периодического сигнала произвольной формы и фазы, управляемой программно (в том числе считыванием значений из ОЗУ или ПЗУ).
• 6. «Идеальное» перемножение аналогового сигнала на цифровой.
• 7. Формирование периодического сигнала произвольной формы и фазы, управляемой программно (в том числе считыванием значений из ОЗУ или ПЗУ в цикле).
• 8. Формирование непериодического заданного сигнала.
• 9. Формирование сигнала из его цифрового значения по мере его получения в реальном времени, например в составе сигнального процессора или цифрового регулятора.

Простейшая и достаточно эффективная схема ЦАП осуществляется на основе резистивной сетки R—2R, которая вводится на входе ОУ или в его обратную связь [14]. Принцип действия такой сетки может быть продемонстрирован упрощенной принципиальной схемой, показанной на рис. 5.21.

Рис. 5.21. Упрощенная принципиальная схема ЦАП на основе сетки R—2R.

Каждый из электронных ключей замкнут в одном из двух возможных положений. В зависимости от состояния этих ключей на выходе ОУ формируется напряжение. Самый правый ключ вносит самый большой вклад в это напряжение, вклад каждого ключа вдвое меньше, чем вклад ближайшего соседнего справа от него ключа. Достоинство этой схемы состоит в постоянстве входного сопротивления, которое является нагрузкой для формирователя опорного напряжения У_вх. Также достоинством является возможность реализации только на основе сопротивлений единственного номинала, поскольку удвоение сопротивления может быть получено последовательным включением двух одинаковых сопротивлений, а половинное значение сопротивления может быть получено параллельным включением.

Для корректного применения ЦАП требуется строго соблюдать рекомендуемые в технической документации схемы включения. Пониженное напряжение питания, по сравнению с паспортным, может вызвать нечеткую работу ЦАП, что может проявиться только при некоторых комбинациях входных сигналов. Проверка правильности работы должна производиться перебором входных сигналов и контролем выходного состояния.

ЦАП подразделяются по следующим признакам:

• 1) разрядности (чем она выше, тем точнее можно установить значение выходного сигнала);
• 2) типу занесения кода: параллельные (с регистром или без него) и последовательные (всегда с регистром);
• 3) способу подачи опорного сигнала: обычные и перемножающие.

Последние допускают подачу произвольного по знаку сигнала, а выходной сигнал имеет знак, соответствующий знаку результата математического перемножения входного сигнала на код. Если код допускает применение знакового разряда, то ЦАП называют четырехквадрантным перемножающим. Эти ЦАП очень перспективны для обработки аналоговых сигналов.

ЦАП можно разделить на две группы: с прецизионными резистивными матрицами и безматричные. В первой группе по способу формирования сигнала различают три типа схем: с суммированием токов, с делением напряжения, с суммированием напряжения. В микроэлектронном исполнении применяются структуры только первых двух типов. Среди безматричных ЦАП различают два типа: с активными делителями и стохастические.

Основная характеристика ЦАП — разрешающая способность, определяемая числом разрядов N. Обычно ЦАП, преобразующий ЛГ-разрядные двоичные коды, должен обеспечить 2^N различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью 1 / (2^N— 1). Отличие реального значения разрешающей способности от теоретического обусловлено погрешностями узлов и шумами ЦАП. Точность ЦАП определяется значениями абсолютной погрешности, нелинейностью, дифференциальной нелинейностью, нестабильностью опорного источника напряжения, влиянием нагрузки и другими факторами.

Абсолютная погрешность 5_ШК — это отклонение значение выходного напряжения (тока) от номинального расчетного, соответствующего конечной точке характеристики преобразования. Эта величина измеряется в единицах младшего значащего разряда (МЗР).

Нелинейность 6_л характеризует идентичность минимальных приращений выходного сигнала во всем диапазоне преобразования и определяется как наибольшее отклонение выходного сигнала от прямой линии абсолютной точности, проведенной через нуль и точку максимального значения выходного сигнала. Значение нелинейности не должно превышать ±0,5 ед. МЗР, но бывают исключения.

Дифференциальная нелинейность 5_Л ДИФ характеризует идентичность соседних приращений сигнала. Ее определяют как минимальную разность погрешности нелинейности двух соседних квантов в выходном сигнале. В идеале значение 5_Л диф не должно превышать удвоенного значения погрешности нелинейности. Если значение 5_Л ДИФ больше единицы МЗР, то преобразователь считается немонотонным, т. е. при равномерном возрастании входного кода на его выходе сигнал растет неравномерно.

Немонотонность дает уменьшение в некоторых квантах выходного сигнала при нарастании входного кода. Это можно рассмотреть на примере попытки увеличить разрешающую способность преобразователя путем построения составного ЦАП, получающегося из двух идентичных преобразователей и суммирующего усилителя (рис. 5.22). Казалось бы, в такой схеме разрядность ЦАП увеличена в два раза.

Неидентичность этих ЦАП приводит к немонотонности результирующей характеристики, поэтому такие схемы не следует применять.

Из динамических параметров наиболее существенны такие, у которых:

• 1) время установления t_yCT — это интервал времени от подачи входного сигнала до вхождения выходного сигнала в заданные пределы;
• 2) максимальная частота преобразования /_ПРБ — это наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

Работу ЦАП часто сопровождают острые пики большой амплитуды в выходном сигнале, возникающие из-за разности времен открывания и закрывания аналоговых ключей. Наибольшее значение этих выбросов наблюдается при переключении старших разрядов и может достигать половины динамического диапазона выходного сигнала. Это следует учитывать при использовании ЦАП для управления такими устройствами, которые не допускают шилообразных помех.

Рис. 5.22. Пример некорректного способа повышения разрядности ЦАП Например, при управлении током полупроводникового лазера даже небольшой и очень кратковременный скачок питающего тока может привести к необратимой деградации лазера. Для устранения этого броска могут применяться сглаживающие цепи и иные меры.

В отечественной литературе разделяют прецизионные и быстродействующие ЦАП. Прецизионные ЦАП имеют 8_Л < 0,1%, а быстродействующие — t_yCT < 100 нс. По разрядности ЦАП достигают 18—20 двоичных разрядов, что соответствует разрешающей способности Umax / Н_мш ⁼ Ю⁶ (отношение максимального выходного напряжения к минимальному). При такой разрядности прецизионным ЦАП следует называть такой ЦАП, нелинейность которого не превышает относительный вес младшего разряда, т. е. для указанного случая желательно 5_Л < 0,0001%.

Для выбора ЦАП из однотипных, как правило, достаточно рассмотрения основных параметров: разрядности, времени установления и нелинейности. Такие параметры, как напряжение питания, опорное напряжение, уровни управляющих сигналов и т. п., имеют значение лишь в специфических случаях, поскольку соответствующим масштабированием выходного сигнала его можно преобразовать в требуемый диапазон. При использовании ЦАП на основе КМОП-ключей следует обеспечивать соответствие применяемых напряжений питания паспортным значениям, поскольку при недостаточном напряжении на затворах ключей они могут срабатывать не полностью и не при всех комбинациях управляющих кодов.

Некоторые ЦАП можно рассматривать как преобразователь кода в ток. Их можно использовать для построения функциональных преобразователей, интеграторов, управляемых фильтров. Некоторые ЦАП можно также рассматривать как потенциометр, включенный одним концом к источнику опорного напряжения, вторым — к общей шине, причем положение движка определяется управляющим кодом. Такие ЦАП позволяют строить интересные схемы управляемых фильтров, модуляторов и демодуляторов медленно меняющихся сигналов, синхронных детекторов и т. д.

Существуют ЦАП, специально выполненные для таких применений, причем они полностью эквивалентны потенциометру, всеми выводами изолированному относительно источников питания, общей шины и шин управления. Такие устройства получили название цифроуправляемых резисторов, например AD8402 [16].

В силу таких преимуществ, как большая величина изоляции всех трех выводов от остальных цепей схемы, единственный источник питания, малая инерционность, их удобно применять в схемах управляемых источников тока полупроводниковых лазеров, высокостабильных управляемых фильтров, адаптивных корректирующих устройствах, в системах с обратными связями (интеграторах, дифференциаторах) и т. д.

В этих микросхемах имеется два вывода, подключение которых в схему приводит к такому же действию, как если бы в схему был введен резистор; при этом значение резистора может быть задано внешним цифровым кодом. При этом обеспечивается высокая степень изоляции цепей управления от рабочих выводом «резистора».