Исследование характеристик цифро-аналоговых преобразователей

Цифро – аналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровой информации, заданной в форме двоичных кодов, в аналоговые величины, обычно в напряжение или ток. Процесс цифро – аналогового преобразования предполагает формирование в заданном диапазоне изменения выходного аналогового сигнала его дискретных значений, отличающихся на определенный шаг, и сопоставление каждому дискретному значению выходного сигнала определенного двоичного кода.

ЦАП в настоящее время выпускаются промышленностью только в виде интегральных схем, которые могут быть как функционально завершенные, так и функционально незавершенные. Во втором случае необходимо использование внешних элементов, как правило источника опорного напряжения и операционного усилителя. Применение внешнего источника опорного напряжения позволяет разделить все ЦАП на две группы: умножающие и неумножающие. Первая группа допускает работу с изменяющимся во времени опорным напряжением, вторая – только с фиксированным значением опорного напряжения.

Технические характеристики ЦАП разделяются на статические и динамические. К статическим относятся:

1. Разрядность n - число двоичных разрядов кода, которые можно подать на вход ЦАП. Цифровая часть ЦАП разделяет величину опорного напряжения U_оп, I_оп на N частей, связанных с разрядностью следующей формулой

N = 2ⁿ

ЦАП широкого применения обычно содержат от 8 до 16 двоичных разрядов.

2. Минимальный шаг изменения выходного напряжения или тока ΔI_вых, ΔU_вых, при котором входной код изменяется на единицу. Минимальный шаг связан с разрядностью следующей формулой

ΔI_вых = I_оп / N, ΔU_вых= U_оп / N.

Выходное напряжение U_вых или выходной ток I_вых идеального ЦАП определяется следующими соотношениями

I_вых = I_оп m / N, U_вых = U_оп m / N,

где: m – десятичный эквивалент двоичного кода, поступающего на вход ЦАП, m = 0, 1,… N.

3. Абсолютная погрешность преобразования δU_вых, δI_вых, определяемая в конечной точке m = N равна разности выходных напряжений или токов идеального и реального ЦАП.

4. Нелинейность преобразования δL - максимальная разность выходных напряжений или токов для идеального и реального ЦАП в промежуточной точке m < N.

5. Напряжение смещения нуля – напряжение или ток на выходе ЦАП при подаче на его вход нулевого кода.

К динамическим характеристикам ЦАП относятся:

1. Максимальная частота преобразования f_{с макс} - максимальная частота изменения входных кодов, допустимая для нормальной работы ЦАП.

2. Время установления t_s – время от момента поступления двоичного кода на вход ЦАП до момента установления выходного напряжения или тока.

Обычно характеристики ЦАП связывают с минимальным шагом изменения выходного напряжения ΔU_вых или тока ΔI_вых. Так, абсолютная погрешность преобразования и нелинейность преобразования обычно равна минимальному шагу или, в точных ЦАПах, – половине минимального шага.