Материал: Исследование узлов систем управления. лабораторный практикум. Герасимов М.И., Болдырев И.А

мы, что для его исключения была разработана очень остроумная схема коммутации одинаковых резисторов во всех разрядах преобразователя, точнее, комбинации R-2R (цепная R-2R схема). Это позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, т.к. сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами (подробнее см. ниже). Недостатком метода является более низкая скорость вследствие паразитной емкости ключей.

В данной работе будет исследоваться именно ЦАП тока на структурах R-2R, схема которого имеет вид, приведенный на рис. 3.3. Здесь S0…S(n-1) – электронные двухпозиционные ключи, реализация которых будет показана ниже.

Рис. 3.3 Анализ схемы базируется на двух свойствах ОУ, охвачен-

ного ООС:

входные токи ОУ пренебрежимо малы;

разность потенциалов на входах поддерживается усилителем через цепь ОС близкой к нулю.

С помощью переключающих элементов S0…S(N-1) выходы звеньев подключаются к двум общим линиям 1 и 2. На линии 2 нулевой потенциал, на линии 1 такой же (таково свойство схемы ОУ, охваченного ООС – см. выше), поэтому эквива-

41

лентное сопротивление справа от каждого узла матрицы будет равняться 2R. В результате в каждом узле матрицы втекающий слева ток будет делиться пополам, т.е. образуется N- разрядный двоичный преобразователь тока. Значение старшего

Переключатели S0 – S(N-1), управляемые от регистра, при значении разряда, равном 0, подключают отвод звена к линии 2, а при значении 1 – к линии 1. Токи разрядов с состояниями 1 суммируются усилителем, выходное напряжение которого равно произведению суммы токов на величину ROC со знаком минус (см. выше).

Достоинством ЦАПН типа R-2R является необязательность высокой абсолютной точности значений R и 2R, достаточно их одинаковости. Значения токов будут иметь погрешность, относительная величина которой по всем разрядам будет одинаковой и может быть компенсирована ROC.

В качестве регистров ввода данных в ЦАП используются либо параллельные регистры общего назначения, известные из курса цифровой электроники, либо узлы, встроенные в микросхему ЦАП. Информация в регистр заносится из УУ либо параллельным кодом D по выбранному адресу А при подаче команды WR (см. рис. 3.1), либо через последовательный интерфейс. Преимущества первого варианта – быстрая передача данных и простой протокол связи. Однако распределенное исполнение систем управления РТК требует уменьшения числа линий связи и достигается это за счет последовательной передачи данных. Протокол последовательного периферийного интерфейса (SPI) и микросхемы, с ним связанные, сегодня занимают уже большую долю рынка ЦАП, многие из них работают также с двухпроводным I2С-совместимым интерфейсом (эти интерфейсы будут рассмотрены в курсе «Управляющие ЭВМ»). Часто требуется гальваническая развязка линии данных. Наиболее просто это осуществляется именно при после-

42

довательном интерфейсе – с помощью минимального количества оптронных приборов.

Статические параметры ЦАП

При выборе ЦАП необходимо определить разрядность прибора b, исходя из того, что код 2b эквивалентен максимальному значению аналогового выходного сигнала. Наименьшее значение аналогового сигнала соответствует одной единице дискретности и получается при подаче на вход ЦАП логической единицы только первого младшего значащего разряда (МЗР или LSB). При однополярном опорном напряжении по-

ном питании это соответствует полному аналоговому сигналу одного знака – положительного или отрицательного.

Промышленность выпускает ЦАП с разрешением 8- 16 разрядов (от 256 до 65536 единиц дискретности). Однако следует учитывать, что разрядность ЦАП не обеспечивает однозначно требуемой точности потому, что должны быть приняты во внимание также другие источники ошибки. Раз-

рядность определяет только разрешающую способность –

приращение при преобразовании смежных значений, т.е. отличающихся на единицу МЗР. Это приращение является шагом квантования.

Рассмотрим основные погрешности выходного значения ЦАП и их источники .

Одним из параметров при оценке точности прибора является интегральная нелинейность, которая показывает отклонение функции передачи ЦАП от прямой линии (рис. 3.4, а) –

) При рассмотрении статических погрешностей имеются в виду значения установившихся сигналов.

43

наилучшее приближение к фактической функции передачи между конечными точками. Для ЦАП это отклонение измерено в каждом шаге. В дешевых приборах интегральная нелинейность достигает 1 МЗР.

Дифференциальная нелинейность – различие между фактической высотой шага и идеальным значением 1МЗР. Заданная величина для дифференциальной нелинейности (≤ 1МЗР) гарантирует, что ЦАП является монотонным. Это означает, что никакие данные не потеряны, поскольку выходной сигнал всегда изменяется в соответствии с цифровым кодом на входе.

Рис. 3.4, b показывает дифференциальную нелинейность

от идеальной величины представлено на рис. 3.4, с. Для ЦАП ошибка смещения равна выходному напряжению, когда цифровой код на входе нулевой. Эта ошибка остается константной для всех входных значений, и она может быть скомпенсирована при калибровке схемы. Ошибка смещения часто определяется как абсолютная величина в милливольтах, а не МЗР. Приемлемая ошибка смещения – обычно меньше, чем ±10 мВ.

Ошибка от коэффициента усиления определяется как разность между идеальным выходным напряжением и фактическим максимальным значением функции передачи после вычитания ошибки смещения (рис. 3.4, d). Так как ошибка от коэффициента усиления изменяет наклон всей функции передачи, то относительная ошибка будет существовать на каждом шаге преобразования. Эта ошибка может быть выражена в единицах младшего значащего разряда или милливольтах, а также в процентах от максимальной величины.

44

Рис. 3.4. Основные погрешности при работе ЦАП:

(a) – интегральная нелинейность, (b) – дифференциальная нелинейность, (c) – ошибка смещения и (d) – ошибка от коэффициента передачи

45