Преобразователи код – напряжение

 

Преобразователем код-напряжение (ПКН) называется электронное устройство, предназначенное для преобразования цифрового кода N_BX на входе в электрическое напряжение U_ВЫХ на выходе.

Преобразование код – напряжение является частным случаем цифро-аналогового преобразования. Поэтому в цифровой технике ПКН часто называют цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).

В интегральном исполнении ЦАП выпускаются в виде микросхем, осуществляющих преобразование входного двоичного кода N_BX в выходное напряжение U_ВЫХ или ток I_ВЫХ. Основные параметры и характеристики интегральных ЦАП приведены в табл. 7.1.

По способу преобразования ПКН делятся на три группы:

1) ПКН на основе управляемого делителя напряжения:

а) последовательного типа,

б) параллельного типа;

2) ПКН с суммированием токов;

3) ПКН с суммированием напряжений.

Основные требования к ПКН:

1) высокая точность;

2) высокое быстродействие;

3) высокая линейность преобразования;

4) высокое входное сопротивление R_ВХ по входу опорного напряжения (при выполнении R_ВХ ® ¥ существенно улучшается стабильность источника опорного напряжения (ИОН), даже при его сравнительно высоком выходном сопротивлении R_ВЫХион);

5) низкое выходное сопротивление R_ВЫХ ® 0 (это позволяет исключить влияние сопротивления нагрузки на результат преобразования);

6) высокая помехозащищенность.

В большинстве случаев практического применения ПКН выполнить все эти требования невозможно, поэтому выделяются наиболее значимые для данного применения требования и обеспечивается их выполнение.

 

ПКН на основе управляемого делителя напряжения

Последовательного типа

Функциональная схема такого ПКН представлена на рис. 7.1.

Величина ступени квантования определяется выражением

где R_Н – номинальное сопротивление резистора в делителе напряжения (ДН).

Рис. 7.1. Функциональная схема ПКН на основе управляемого делителя

напряжения последовательного типа

 

На рисунке обозначено: U₀ – опорное напряжение ПКН; q_R – ступень квантования ПКН по сопротивлению; N₂ – входной двоичный код; N_2H – максимальное число ступеней квантования по сопротивлению.

Если R_H = R, то сопротивление 2-го резистора равно 2R; 3-го – 4R; 4-го – 8R и т.д. Т.е. сопротивления резисторов распределены по двоичному закону.

Сопротивление плеча ДН, управляемого кодом N₂:

.

Сопротивление плеча ДН, управляемого кодом (N_2H – N₂):

Выходное напряжение такого делителя

Это и есть уравнение преобразования ПКН данного типа.

Если ступень квантования по напряжению , то уравнение преобразования ПКН

.

Как видно из последнего уравнения, функция преобразования ПКН линейная.

Входное сопротивление такого ПКН, как и для обычного делителя напряжения, определяется формулой

.

Вывод: входное сопротивление ПКН – величина постоянная и не зависит от количества замкнутых и разомкнутых ключей. Следовательно, таким ПКН может управлять ИОН с R_ВЫХион >> 0.

Выходное сопротивление ПКН при условии, что R_ВЫХион = 0 (т.е. получается параллельное соединение суммарных сопротивлений резисторов двух плеч), определяется по формуле

R_{ВЫХ .}

Вывод: выходное сопротивление будет равно 0 при N₂ = 0 и N₂ = N_2H. Максимальное значение R_ВЫХ при N₂ = N_2H /2:

,

т.е. R_ВЫХ такого ПКН зависит от значения входного кода.

Погрешности ПКН данного типа обусловлены следующими факторами.

1. Неточность и нестабильность напряжения U₀ ИОН.

2. Неточное выполнение двоичного закона изменения сопротивлений резисторов в обоих плечах делителя. Этот фактор приводит к возникновению трех погрешностей:

а) погрешности линейности – максимальное отклонение кривой, представляющей собой реальную характеристику преобразования, от прямой линии, соединяющей крайние точки этой кривой;

б) погрешности дифференциальной нелинейности – это максимальная по модулю разность кванта реальной характеристики преобразования (ступени квантования) и среднего значения этого кванта;

в) погрешности полной шкалы – разность выходных напряжений для идеальных и реальных характеристик преобразования при номинальном коде управления, т.е. при N₂ = N_2H.

3. Погрешность от сопротивлений R_КЗ каналов ключей в замкнутом состоянии (погрешность от ЭДС канала ключа, для ключей на полевых транзисторах, не учитывается, т.к. собственная ЭДС канала полевого транзистора e_K = 0). Погрешность от небесконечности сопротивлений R_КР ключей в разомкнутом состоянии не учитывается, т.к. легко обеспечить условие R_КР >> q_R 2^n-1.

С учетом R_КЗ на выходе ПКН получаем напряжение

Отсюда приведенная погрешность от влияния R_КЗ

,

где m1 – количество замкнутых ключей в 1-м плече; m2 – количество замкнутых ключей во 2-м плече.

Влияние сопротивлений ключей будет больше, когда m1 = m2.