Применение ЦАП и АЦП

Это можно проиллюстрировать табл. 13.2. Такое биполярное преобразование при возможности смены знака опорного напряжения называется также четырехквадрантным умножением (То есть и опорное, и выходное напряжения могут быть в данном случае как положительными, так и отрицательными).

Таблица 13.2. Преобразование ЦАП в биполярном режиме

Входной код N	Выходное напряжение UВЫХ
000 000	UREF
011 111	2-n UREF
100 000	0
111 111	-(1-21-n) UREF

Микросхемы ЦАП, имеющиеся на рынке, различаются количеством разрядов (от 8 до 24), величиной задержки преобразования (от единиц наносекунд до единиц микросекунд), допустимой величиной опорного напряжения (обычно — единицы вольт), величинами погрешностей преобразования и другими параметрами. Различаются они также технологией изготовления и особенностями внутренней структуры, что нередко накладывает ограничения на их использование. Поэтому выбирать микросхему ЦАП для конкретного применения необходимо с использованием подробной справочной информации, предоставляемой фирмами-изготовителями. Мы же будем говорить только об общих принципах включения ЦАП в цифровые схемы без учета их частных особенностей.

Иногда бывает необходимо уменьшить количество разрядов ЦАП. Для этого нужно подать сигналы логического нуля на нужное число младших разрядов ЦАП (но никак не старших разрядов). На рис. 13.4 показано, как из 10-разрядного ЦАП можно сделать 8-разрядный, подав нули на два младших разряда. Увеличение количества разрядов ЦАП представляет собой гораздо более сложную задачу, требующую построения сложных аналоговых схем, поэтому оно встречается довольно редко. Значительно проще подобрать микросхему с нужным или с большим, чем нужно, количеством разрядов.

Рис. 13.4. Уменьшение разрядности ЦАП

Рис. 13.5. Преобразование последовательности кодов в выходное напряжение

Основное применение микросхем ЦАП состоит в получении аналогового сигнала из последовательности цифровых кодов (рис. 13.5). Как правило, коды подаются на входы ЦАП через параллельный регистр, что позволяет обеспечить одновременность изменения всех разрядов входного кода ЦАП. При неодновременном изменении разрядов входного кода на выходе ЦАП появляются большие короткие импульсы напряжения, уровни которых не соответствуют ни одному из кодов.

Однако, даже при одновременном изменении всех разрядов входного кода ЦАП, уровень напряжения, соответствующий поданному коду, устанавливается не сразу, а за время установления ЦАП t_уст, что связано с неидеальностью внутренних элементов ЦАП. Выходной ток ЦАП, как правило, устанавливается значительно быстрее выходного напряжения, так как он не зависит от инерционности операционного усилителя. Понятно, что условие правильной работы ЦАП состоит в том, чтобы длительность сохранения входного кода была больше, чем время установления ЦАП t_уст, иначе выходной сигнал не успеет принять значение, соответствующее входному коду.

Если подавать коды на вход ЦАП редко, то приведенная на рис. 13.5 схема может использоваться, например, в управляемом источнике питания, выходное напряжение которого задается входным кодом. Правда, при этом необходимо еще обеспечить большой выходной ток источника питания, применив внешний усилитель тока.

Если же подавать коды на вход ЦАП с высокой частотой, то можно получить генератор (он же синтезатор) аналоговых сигналов произвольной формы. В этом случае коды, поступающие на ЦАП, называют кодами выборок (то есть мгновенных значений) генерируемого аналогового сигнала.

В простейшем случае в качестве источника входных кодов ЦАП можно использовать обычный двоичный счетчик (рис. 13.6). Выходное напряжение ЦАП будет нарастать при этом на величину 2^-nU_REF с каждым тактовым импульсом, формируя пилообразные выходные сигналы амплитудой U_REF. Длительность каждой ступеньки равна периоду тактового генератора Т, а период всего выходного сигнала равен 2ⁿТ. Количество ступенек в периоде выходного сигнала равно 2ⁿ. Если в данной схеме использовать синхронные счетчики с синхронным переносом, то входной регистр ЦАП не нужен, так как все разряды счетчика переключаются одновременно. Если же используются асинхронные счетчики или синхронные счетчики с асинхронным переносом, то входной регистр ЦАП необходим.

Рис. 13.6. Генератор пилообразного аналогового сигнала

В случае, когда нужно формировать аналоговые сигналы произвольной формы (синусоидальные, колоколообразные, шумовые, треугольные, импульсные и т.д.), в качестве источника кодов, поступающих на ЦАП, необходимо использовать память, работающую в режиме чтения (рис. 13.7).

Рис. 13.7. Генерация сигналов произвольной формы

Если память постоянная, то набор форм генерируемых сигналов задается раз и навсегда. Если же память оперативная, то строится однонаправленный информационный буфер с периодическим режимом работы, что позволит записывать в память коды для генерации самых разных сигналов. В обоих случаях входной регистр ЦАП необходим, информация в него записывается стробом чтения из памяти.

Как и в предыдущем случае, выходной сигнал ЦАП будет состоять из ступенек, высота которых кратна 2^-nU_REF. Амплитуда выходного сигнала не превышает U_REF. Если адреса памяти перебираются счетчиком, то период выходного аналогового сигнала равен 2^mT, где T — период тактового сигнала чтения из памяти "–Чт.", а m — количество адресных разрядов памяти.

Рис. 13.8. Вычисление кодов выборок периодического сигнала

Если надо вычислить коды выборок для генерации какого-то периодического сигнала, то необходимо его период разделить на 2^m частей и вычислить соответствующие 2^m значений этого сигнала Uⁱ. Затем надо пересчитать значения сигнала в коды по формуле N_i =2ⁿU_i/A где A — амплитуда сигнала, и взять ближайшее целое значение кода. Нулевое значение сигнала даст при этом нулевой код 000 000, максимальное значение сигнала (равное амплитуде А) даст максимальный код 111 111. В результате подачи этих кодов на ЦАП с периодом Т будет генерироваться аналоговый сигнал требуемой формы с амплитудой, равной U_REF и с периодом T_ВЫХ=2^mТ. Пример такого вычисления проиллюстрирован рис. 13.8.

Подробнее задача проектирования генератора аналоговых сигналов произвольной формы будет рассмотрена в следующей лекции.

Преобразование цифровых кодов в аналоговый сигнал — это не единственное применение микросхем ЦАП. Они могут также использоваться для управляемой обработки аналоговых сигналов, например, для усиления и ослабления аналоговых сигналов в заданное число раз. Для этого лучше всего подходят умножающие ЦАП, которые допускают изменение уровня опорного напряжения в широких пределах, в том числе и с изменением его знака. Таких микросхем ЦАП выпускается сейчас достаточно много, с различным быстродействием и с различным количеством разрядов входного кода.