KNOW INTUIT, Лекция, Приложение на DAC и ADC
Както вече беше отбелязано в "Микросхеми и тяхното функциониране", цифрово-аналоговите преобразуватели (DAC, DAC - "Digital-to-Analog Converter") и аналогово-цифровите преобразуватели (ADC, ADC - "Analog-to-Digital Converter") се използват главно за свързване на цифрови устройства и системи с външни аналогови сигнали, с реалния свят. В този случай ADC преобразува аналоговите сигнали в цифрови входни сигнали за по-нататъшна обработка или съхранение, а DAC преобразува изходните цифрови сигнали на цифровите устройства в аналогови сигнали (виж Фигура 2.12).
Като DAC и ADC обикновено се използват специализирани микросхеми, произведени от много местни и чуждестранни компании.
Веднага трябва да се отбележи, че познаването на цифровите схеми не е достатъчно за компетентното и професионално използване на DAC и ADC микросхеми. Тези микросхеми са аналогово-цифрови, така че изискват и познания по аналогова схема, която е значително различна от цифровата. Практическото приложение на DAC и ADC изисква изчисляване на аналогови схеми, като се вземат предвид множество грешки при преобразуване (както статични, така и динамични), познаване на характеристиките и характеристиките на аналоговите микросхеми (предимно операционни усилватели) и много повече, което е далеч извън обхвата на тази книга. Има обширна литература, специално посветена конкретно на приложението на DAC и ADC. Ето защо в тази лекция няма да говорим за спецификата на избора и принципите на включване на конкретни DAC и ADC микросхеми, ще разгледаме само основните характеристики на методите за свързване на DAC и ADC към цифрови възли. Ще се интересуваме преди всичко от организацията на цифрови възли, предназначени да се свързват с DAC иADC .
DAC приложение
Най-общо ЦАП чипът може да бъде представен като блок (фиг. 13.1) с няколко цифрови входа и един аналогов вход, както и аналогов изход.
Към цифровите входове на DAC се подава n-битов код N, а към аналоговия вход се подава референтното напрежение Uop (друго често срещано обозначение е UREF). Изходният сигнал е напрежение Uout (друго обозначение - UO) или ток Iout (друго обозначение - IO). В този случай изходният ток или изходното напрежение е пропорционално на входния код и референтното напрежение. За някои микросхеми референтното напрежение трябва да има строго определено ниво, за други е позволено да променя стойността си в широк диапазон, включително промяна на полярността му (положителен към отрицателен и обратно). DAC с широк диапазон от референтни напрежения се нарича умножаващ DAC, защото може лесно да се използва за умножаване на входния код по всяко референтно напрежение.
В допълнение към информационните сигнали, DAC чиповете също изискват свързване на едно или две захранвания и общ проводник. Обикновено цифровите входове на DAC осигуряват съвместимост със стандартните изходи на TTL чип.
Най-често, ако DAC има токов изход, неговият изходен ток се преобразува в изходно напрежение с помощта на външен операционен усилвател и резистор ROC, вграден в DAC, един от изходите на който е свързан към външния изход на микросхемата (фиг. 13.2). Следователно, освен ако не е посочено друго, ние ще приемем, че изходният сигнал на DAC е напрежението UO.
Същността на преобразуването на входен цифров код в изходен аналогов сигнал е доста проста. Състои се в сумирането на няколко тока (според броя на цифрите на входния код), всеки следващ от които е два пъти по-голямпредишния. За да се получат тези токове, се използват или транзисторни източници на ток, или резистивни матрици, превключвани от транзисторни ключове.
Като пример, на фиг. Фигура 13.3 показва 4-битово (n = 4) цифрово-аналогово преобразуване на базата на R-2R резистивна матрица и ключове (в действителност се използват транзисторни ключове). Дясната позиция на клавиша съответства на единица в дадения разряд на входния код N (цифри D0 D3). Операционният усилвател може да бъде вграден (при ЦАП с изход по напрежение) или външен (при ЦАП с токов изход).
Първият (вляво на фигурата) ключ превключва текущия UREF / 2R, вторият ключ - текущият UREF / 4R, третият - текущият UREF / 8R, четвъртият - текущият UREF / 16R. Тоест, токовете, комутирани от съседни ключове, се различават два пъти, както и теглата на битовете на двоичния код. Токовете, превключвани от всички клавиши, се сумират и преобразуват в изходно напрежение с помощта на операционен усилвател със съпротивление ROC \u003d R във верига с отрицателна обратна връзка.
При правилна позиция на всеки клавиш (един в съответния бит на входния код на ЦАП), превключваният ток от този ключ отива към сумата. Когато ключът е в лява позиция (нула в съответния бит на входния код на ЦАП), токът, превключван от този ключ, не отива към сумирането.
Общият ток IO от всички клавиши създава напрежение UO=IO ROC=IOR на изхода на операционния усилвател. Тоест приносът на първия ключ (най-значимата цифра на кода) към изходното напрежение е UREF / 2, вторият - UREF / 4, третият - UREF / 8, четвъртият - UREF / 16. Така при входен код N = 0000 изходното напрежение на веригата ще бъде нула, а при входен код N = 1111 то ще бъде равно на -15UREF / 16 .
Като цяло, изходното напрежение на DAC при ROC = Rще бъде свързан с входния код N и еталонното напрежение UREF чрез проста формула
където n е броят на цифрите на входния код. Знакът минус се получава поради инверсията на сигнала от операционния усилвател. Тази връзка може да бъде илюстрирана и в табл. 13.1.
| 000 000 | 0 |
| 000 001 | -2 -n UREF |
| 100 000 | -2 -1 UREF |
| 111 111 | -(1-2-n) UREF |
Някои DAC чипове осигуряват възможност за работа в биполярен режим, при който изходното напрежение се променя не от нула до UREF, а от -UREF до +UREF. В този случай изходният сигнал на DAC UOUT се умножава по 2 и се измества със стойността UREF. Връзката между входния код N и изходното напрежение UOUT ще бъде както следва: