Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Структура, основные характеристики и параметры.

Подсистема вывода информации, связывающая управляющую ЭВМ или МП систему с аппаратурой управления технологическим процессом.

Это обусловлено тем, что основные исполнительные механизмы управления технологическим процессом рассчитаны на аналоговые сигналы, поэтому они должны иметь устройство, преобразующее цифровые коды в аналоговые сигналы.

Устройство преобразования цифрового кода в пропорциональное ему значение аналоговой величины (напряжения - U, или тока - I) называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).Большинство ЦАП состоят из 5 функциональных элементов или модулей (см. рис. 6.9.):

- регистр и схема управления;

- аналоговые ключи;

- источник опорного напряжения;

- декодирующая схема;

- суммирующий усилитель.

Рис. 6.9. Основные функциональные блоки ЦАП и их возможная компоновка

Основные различия ЦАП касаются способов соединения и изготовления модулей. К основным характеристикам ЦАП относят:

- точность;

- разрешающая способность;

- время преобразования;

- диапазон изменения выходной величины;

- полное выходное сопротивление (Z_вых);

- температурный коэффициент нестабильности.

Точность — определяется отклонением действительной выходной аналоговой величины от ее теоретического значения. На точность ЦАП влияют значения основных параметров и температурные дрейфы: эталонного источника, суммирующего усилителя, декодирующей схемы и аналоговых ключей.

Разрешающая способность — минимальное значение входной величины, которое определяет соответствующее изменение выходной величины

,

где n — разрядность кода.

Чем больше разрядность цифрового кода на входе ЦАП, тем выше его разрешающая способность.

Время преобразования — интервал времени между поступлением цифрового кода на вход ЦАП и временем установления соответствующего ему значения напряжения или тока на выходе. Оно определяется в основном быстродействием ключей и декодирующей схемы.

Под диапазоном изменения напряжения (U) или тока (I) — понимают полную шкалу изменения напряжения от 0 до U_выхmax или тока от 0 до I_выхmax.

Полное выходное сопротивление ЦАП (Z_вых) — определяется со стороны выходных зажимов. Оно зависит в основном от выходного сопротивления суммирующего усилителя и имеет порядок сотен Ом.

Температурный коэффициент нестабильности (ТКН) ЦАП— определяется степенью изменения выходного напряжения (U) или тока (I) от температуры (%/⁰С) в рабочем диапазоне температур. В рабочем диапазоне температур t=0-40⁰С (до ±20⁰С) при ТКН=0,01%/⁰С получим значение относительной погрешности ЦАП от температуры на краю диапазона d=±0,2%.

Построение схем, аналоговых ключей, источников опорного напряжения, суммирующих усилителей и регистров рассмотрено в соответствующих разделах. Рассмотрим специфические для ЦАП декодирующие схемы.

Декодирующая схема — предназначена для обеспечения на ее выходе аналогового значение напряжения или тока, значения которых должны быть пропорциональны входному цифровому коду. Процесс декодирования предполагает подключение напряжения или тока определенной величины посредством аналоговых ключей и суммирование результирующих напряжений или токов соответствующим образом. Каждая цифра декодируемого числа управляет отдельным аналоговым ключом, и величина сигнала от эталонного источника взвешивается в соответствии со значением позиции кода, числа.

Различают схемы с взвешенными резисторами и цепные многозвенные резистивные схемы.