Файл: Лекция 2 по СРВ (Аппаратные средства на нижнем и среднем уровне в СРВ).pdf

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

16 

законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, 
приведена на рисунке 4. 

Рисунок 4 – Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов 

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них 

протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда 
соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется 
соотношением: 

(

6) 

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть 

согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности 
предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен 
превышать тока младшего разряда. 

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. 

Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного 
напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения 
ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в 
тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в 
полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в 
многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а 
это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым 
ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение. 

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), 

разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является 
по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели 
ЦАП). Указанная схема представлена на рисунке 5. В качестве ключей здесь 
используются МОП-транзисторы. 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

17 

Рисунок 5 – Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса 
В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя 

осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью 
резистивной матрицы постоянного импеданса. Основной элемент такой матрицы 
представляет собой делитель напряжения (рис. 5), который должен удовлетворять 
следующему условию: если он нагружен на сопротивление Rн, то его входное 
сопротивление Rвх также должно принимать значение Rн. Коэффициент ослабления цепи 
a=U2/U1 при этой нагрузке должен иметь заданное значение. При выполнении этих 
условий получаем следующие выражения для сопротивлений: 

ЦАП на источниках тока 

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от 

предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно 
небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и 
нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками 
тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на 
источниках тока приведена на рисунке 6. 

Рисунок 6 – Схема ЦАП на источниках тока 

Весовые токи формируются с помощью резистивной матрицы. Потенциалы баз 

транзисторов одинаковы, а чтобы были равны и потенциалы эмиттеров всех транзисторов, 
площади их эмиттеров делают различными в соответствии с весовыми коэффициентами. 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

18 

Правый резистор матрицы подключен не к общей шине, как на схеме рисунке 4, а к двум 
параллельно включенным одинаковым транзисторам VT

0

 и VT

н

, в результате чего ток 

через VT

0

 равен половине тока через VT

1

. Входное напряжение для резистивной матрицы 

создается с помощью опорного транзистора VT

оп

 и операционного усилителя ОУ

1

, 

выходное напряжение которого устанавливается таким, что коллекторный ток 
транзистора VT

оп

 принимает значение I

оп

. Выходной ток для N-разрядного ЦАП: 

(

7) 

Характерными примереми ЦАП на переключателях тока с биполярными 

транзисторами в качестве ключей являются 12-разрядный 594ПА1 со временем 
установления 3,5 мкс и погрешностью линейности не более 0,012% и 12-разрядный 
AD565, имеющий время установления 0,2 мкс при такой же погрешности линейности. 
Еще более высоким быстродействием обладает AD668, имеющий время установления 90 
нс и ту же погрешность линейности. Из новых разработок можно отметить 14-разрядный 
AD9764 со временем установления 35 нс и погрешностью линейности не более 0,01%. 

Формирование выходного сигнала в виде напряжения 

Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с 

суммированием весовых токов. Два из них показаны на рисунке 7. 

а) Схема с преобразователем тока в 

напряжение на операционном усилителе; 

б) Последовательность импульсов на 

выходе ЦАП с ШИМ. 

Рисунок 7 – Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП 

На рисунке 7а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на 

операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом. 
Поскольку пленочные резисторы, определяющие весовые токи ЦАП имеют значительный 
температурный коэффициент сопротивления, резистор обратной связи R

ос

 следует 

изготавливать на кристалле ЦАП и в том же технологическом процессе, что обычно и 
делается. Это позволяет снизить температурную нестабильность преобразователя в 300-
400 раз. 

Для ЦАП на МОП-ключах выходное напряжение схемы на рисунке 7а: 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

19 

Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах 

ЦАП с суммированием напряжений 

Наиболее общие типы электронных ЦАП: 

ЦАП передискретизации, такие, как дельта-сигма-ЦАП, основаны на изменяемой 

плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей 
разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто 
дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является 
практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с 
модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с 
изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи. 
Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума 
квантования. 

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом 

принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие 
дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчётов в секунду, разрядность — до 24 бит. 
Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть 
использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого 
порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping). С увеличением частоты 
передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких 
частот, и улучшается подавление шума квантования; 

ЦАП взвешивающего типа, в котором каждому биту преобразуемого двоичного 

кода соответствует резистор или источник тока, подключённый на общую точку 
суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу 
бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с 
весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая 
точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных 
источников или резисторов и непостоянного импеданса. По этой причине взвешивающие 
ЦАП имеют разрядность не более восьми бит; 

ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в 

специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R, называемой 
матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое — матрица 
токов и инверсное — матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов 
позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим 
ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

20 

одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по 
разрядности. С лазерной подгонкой плёночных резисторов, расположенных на одной 
подложке гибридной микросхемы, достигается точность 20—22 бита. Основное время на 
преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь 
максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то 
есть наносекунды). В троичных ЦАП матрица постоянного импеданса состоит из 
резисторов 3R-4R с терминатором 2R[1]. 

Основные типы ЦАП 

Основные виды ЦАП: 

  взвешивающие  –  с  суммированием  взвешенных  токов  или  напряжений, 

когда  каждый  разряд  входного  слова  вносит  соответствующий  своему 
двоичному весу вклад в общую величину получаемого аналогового сигнала; 
такие ЦАП называют также параллельными или многоразрядными (multibit). 

  Sigma-Delta, по принципу действия обратные АЦП этого же типа. Входной 

цифровой 

сигнал 

подвергается 

значительной 

(64x 

и 

более) 

передискретизации и подается на модулятор, формирующий малоразрядные 
(обычно  однобитовые)  значения.  Полученные  в  результате  малоразрядные 
отсчеты управляют схемой выдачи эталонных зарядов, которые со столь же 
высокой частотой добавляются к выходному сигналу. 

Коммутаторы сигналов 

Коммутаторы  аналоговых  сигналов  –  устройства,  осуществляющие  физическое 

переключение  (коммутацию)  связей  между  различными  устройствами.  Различают 
мультиплексоры  (устройства,  способные  подключать  несколько  входов  на  один  выход), 
демультиплексоры (устройства, способные подключать один вход к нескольким выходам) 
и комбинированные коммутаторы. Существуют также коммутаторы цифровых сигналов – 
«свитчи». 

Исполнительные устройства 

Исполнительные  устройства  –  устройства,  предназначенные  для  организации 

непосредственного  воздействия  на  объект.  В  качестве  исполнительных  устройств  могут 
служить шаговый двигатель, электрический нагреватель и т.п.