Иногда складывается впечатление, что цифровой мир практически полностью сливается с реальным. Но несмотря на появление таких систем как «gigaFLOPS», «22 nm» и многих других реальный мир упорно остается аналоговым и никак не цифровым, а мы по-прежнему должны работать с нашими цифровым системами, которые в современном мире присутствуют практически везде.

Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП преобразовывает входной цифровой сигнал в аналоговый выходной. Понятие «точность» может варьироваться (в зависимости от производителя), но мы опишем цифро-аналоговые преобразователи с разрешением от 8 до 16 бит и скоростью до 10 Мвыборок/с. Данные цифро-аналоговые преобразователи ЦАП используются в различных системах – аудио- и видео аппаратуре, управление процессором, измерительные приборы, системы автоматизации, системы электропривода и многих других. У каждой отдельной системы существуют индивидуальные требования к ЦАП, например, разрешение, статические и динамические характеристики, потребляемая мощность и другие.

В параметрах и техническом описании указываются погрешность смещения, дифференциальная нелинейность (DNL), интегральная нелинейность (INL) и другие параметры, необходимые для обеспечения хорошей производительности в системах постоянного тока, например таких, как управления электроприводом или каким-то технологическим процессом.

Некоторые приложения, например, для генерации сигнала на экране монитора, подчеркивают необходимость хорошей производительности на переменном токе, который в техническом описании указывается в таких параметрах как время отставания, шумы и полоса частот пропускания. Сделать само устройство с применением ЦАП значительно сложнее, чем выбрать цифро-аналоговый преобразователь из каталога, ведь в систему помимо ЦАП будет входить еще много электронных компонентов, влияние которых также нужно учитывать. Ниже мы попытаемся это рассмотреть.
Содержание:

Три основные архитектуры для точных ЦАП

При выборе точности цифро-аналогового преобразователя для вашей системы необходимо, чтоб спецификация ЦАП соответствовала требованиям системы. По сравнению с изобилием архитектур аналого-цифровых преобразователей АЦП выбор цифро-аналогового преобразователя может показаться легкой задачей, так как в ЦАП имеется всего три основных архитектуры. Но это только кажется что задача легкая, ведь различие в производительности каждой из архитектур довольно существенны.

В ЦАП используют три основные архитектуры – струнная (последовательная), R-2R, умножающий ЦАП (multiplying DAC (MDAC)).

Струнный цифро-аналоговый преобразователь

Концепция, лежащая в основе струнного цифро-аналогового преобразователя, исходит от Лорда Кельвина с середины 1800 годов:

Входной декодер имеет несколько переключателей, по одному для каждой комбинации битов. Каждый цифровой вход подключается к соответствующему напряжению усилителя выходного напряжения.

N – битовый ЦАП состоит из последовательности 2 N соответствующих резисторов, а также источника напряжения на одном конце, и «земли» на другом. Трехбитный ЦАП (рисунок выше) требует восемь резисторов и семь переключателей, но эти цифры растут очень сильно с повышением разрядности и для 16 битного ЦАП необходимо уже 65536 резисторов!!! Это число очень большое, даже для современных систем. Для уменьшения количества резисторов используют интерполяционные усилители и ответвления на отдельные резисторы.

Струнные или последовательные цифро-аналоговые преобразователи вполне подходят для большинства точных приложений таких как, контроль перемещений, системы автоматического управления (в сервоприводах и при управлении электроприводом).

Выходное напряжение струнных ЦАП изначально монотонное с хорошей дифференциальной нелинейность (DNL), но его интегральная нелинейность (INL) не очень хороша, так как напрямую зависит от погрешности резистора. С точки зрения систем переменного тока струнные ЦАП демонстрируют более низкую производительность в сравнении с другими архитектурами, так как обладает довольно высоким уровнем шумов, что вызвано большим полным сопротивлением резисторов, а структура коммутации приводит к замедлению обработки сигналов при переходах, ограничивая при этом скорость обновлений.

Архитектура R-2R

Данная архитектура наиболее распространена среди цифро-аналоговых преобразователей и схема ее показана ниже:

Данная архитектура использует только резисторы с двумя различными сопротивлениями, соотношения между которыми определяются как 2 к 1.

При установке конкретного бита соответствующий 2R резистор переключается в положение V REF — H , в противном случае он устанавливается в положение V REF — L (земля). В результате получаем выходное напряжение, которое будет являться суммой всех лестничных напряжений 2R.

Архитектура R-2R хорошо подходит для применения в промышленных установках и устройствах. Они более точны, чем струнные цифро-аналоговые преобразователи, имеют более низкий уровень шумов из-за наличия меньшего результирующего сопротивления, а также у них лучше INL и DNL производительность.

Преобразование сигнала в преобразователе с архитектурой R-2R представляет собой переключение ножки 2R между V REF — H и V REF — L . Внутренние резисторы и переключатели внутри устройства не совпадают идеально, что может приводить к определенным сбоям в процессе переключения.

Умножающий цифро-аналоговый преобразователь MDAC

Умножающий преобразователь MDAC тоже использует архитектуру R-2R, но с опорным напряжением V REF . Схема ниже:

Когда бит установлен, соответствующий 2R резистор подключается к виртуальной «земле» — суммирующий операционный усилитель. Именно поэтому умножающий цифро-аналоговый преобразователь выдает не напряжение, а ток, при этом опорное напряжение V REF может превышать номинальное или вовсе быть отрицательным.

Источник V REF «видит» в MDAC постоянное сопротивление, равное R, поэтому имеет всегда постоянный выходной ток, что повышает производительность во время быстрых переходов, так как нет необходимости ждать пока восстановится величина опорного напряжения. В зависимости от цифрового кода текущий поток разделяется на выходной контакт, и контакт заземления. Это значит, что выходной импеданс будет различен, а это несколько затрудняет выбор внешнего операционного усилителя ОУ.

Для повышения производительности выхода MDAC включают в качестве обратной связи внутренний резистор с тепловой реакцией, примерно соответствующей внутреннему резистору ступени. Внутренний шум из умножающего цифро-аналогового преобразователя исходит как от сопротивлений ступеней, так и от сопротивления обратной связи. Поскольку выходное сопротивление является кодозависимым, то от него зависит и коэффициент усиления шумов, хотя уровень шумов у MDAC значительно ниже, чем у последовательных (струнных) ЦАП. Стоит отметить, что внешний операционный усилитель ОУ может быть с низким уровнем шумов.

Одним из недостатков является то, что входной сигнал является обратным выходному, что в свою очередь требует дополнительной операции инвертирования.

Понимание параметров производительности переменного тока

Для получения максимальной производительности при работе цифро-аналогового преобразователя на переменном токе нужно понять определенные тонкости, а также возможные шаги, которые можно сделать для оптимизации.

Время, необходимое для выхода операционного усилителя ОУ на окончательное значение, является одним из основных показателей качества ЦАП. Ниже показаны участки времени срабатывания цифро-аналогового преобразователя:

• Мертвое время (Dead time ): это время, необходимое для достижения 10% от требуемого значения выходного аналогового сигнала, начиная с момента, когда цифровой код поступил на цифро-аналоговый преобразователь;
• Время нарастания выходного сигнала(Slew time ): время, необходимое для возрастания аналогового выходного сигнала с 10% до 90%;
• Время восстановления и установления(Recovery time, linear settling time ): перерегулирование и установление аналогового сигнала заданной формы;

После установления значения выходного аналогового сигнала в диапазоне допустимой ошибки процесс считается завершенным даже в случае, если сигнал все еще колеблется, но не выходит за пределы допустимой ошибки.

Ниже показан переходный процесс реального 18 битного, одноканального, R-2R цифро-аналогового преобразователя DAC988:

Время установления сигнала измеряется от момента перехода сигнала LDAC на низкий уровень, после чего начался переходный процесс в системе. Обратите внимание на то, что процесс убывания сигнала самый длительный, с долгим процессом восстановления и несущественным влиянием на него статического сигнала.

Ошибки переключения

Идеальное изменение выходного сигнала ЦАП – это монотонное его нарастание или спадания, но в реальности это не так, а изменения сигнала происходят скачкообразно. В отличии от времени установления, ошибка переключения вызвана не соответствием внутренних переключений (доминирующий фактор), или же емкостными связями между входными цифровыми и выходными аналоговыми сигналами:

Ошибка характеризуется площадью под положительным и отрицательным ложным импульсом и измеряется в вольт-секундах (чаще всего в мкВ∙с или нВ∙с).

С возрастанием количества параллельных переключателей возрастает и ошибка. Это один из недостатков архитектуры R-2R. Ошибки в архитектуре R-2R наиболее заметна при изменении всех битов или при переключении наиболее значащих битов, при переключении из 0x7FFF в 0x8000 (для 16-битных ЦАП).

Если уменьшить количество переключающихся последовательных резисторов нельзя, то применяют на выходе преобразователя, схемы показаны ниже:

На рисунке а) показан самый простой RC фильтр, который устанавливается на выходе и позволяет несколько снизить уровень амплитуды выходной ошибки, однако тем самым он затягивает скорость нарастания сигнала, чем увеличивает время отставания. На рисунке b) представлен вариант с добавлением выборки и удержанием цепи. Да, это позволяет снизить ошибку практически до нуля, однако реализовать такую схему чрезвычайно сложно, так как она накладывает жесткие требования к временным показателям срабатывания, а также жесткую синхронизацию с частотой обновления ЦАП.

Источники шума

Шум – один из важнейших компонентов производительности современного цифро-аналогового преобразователя на переменном токе. Существует три основных источника шума – внутренняя цепь резисторов, внутренние и внешние усилители, источники опорного напряжения. Влияние внутренних резисторов на шумы преобразователя рассматривалось ранее в этой статье, поэтому рассмотрим остальные два источника шумов.

Шум внешнего операционного усилителя ОУ

Выход усилителя ЦАП является еще одним источником шумов. MDAC использует внешний операционный усилитель, но другие архитектуры используют внутренний ОУ, чем влияют на общий коэффициент выходных шумов.

Шум в схеме операционных усилителей имеет три основных составляющих:

• 1/f шума или фликкер-шум;
• Шумы широкополосного напряжения или белый шум;
• Шумы напряжений и токов на резисторах;

Первые два считаются внутренними свойствами самого операционного усилителя ОУ, а полоса пропускания ограничивается самим цифро-аналоговым преобразователем, что значительно снижает влияние широкополосных шумов. Для лучшей производительности на переменном токе следует обратить внимание на операционные усилители с низким уровнем 1/f шумов.

Шумы от внешнего опорного напряжения V REF

Выходные шумы ЦАП напрямую зависят от шумов в опорном напряжении, которое может быть как внешним, так и внутренним. Для обеспечения максимальной производительности и минимального уровня шумов необходимо использовать качественные источники опорного напряжения. Существует огромный выбор источников опорного напряжения от нескольких производителей.

Вывод

Получение максимальной производительности переменного тока от прецизионного ЦАП представляет собой сочетание понимания технических характеристик, выбора правильной архитектуры и добавления нужных внешних компонентов, и, конечно же, следование проверенным методикам выбора и расчета электронных компонентов.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство, выполняющее преобразование входного цифрового сигнала (кода) в аналоговый.

ЦАП широко используется там, где необходимо с помощью цифровой информации, выдаваемой ЭВМ, управлять аналоговыми устройствами, например, осуществлять перемещения клапана, пропорциональные рассчитанному значению цифрового сигнала. ЦАП используются для согласования ЭВМ (ЦУ) с аналоговыми устройствами, в качестве внутренних узлов АЦП и цифровых измерительных приборов. В составе аналого-цифровых преобразователей ЦАП служит для формирования аналогового сигнала (тока или напряжения), с которым сравнивается преобразуемый сигнал.

Основной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяемая числом разрядов n . Теоретически ЦАП, преобразующий n -разрядные двоичные коды, должен обеспечить 2n различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью (2n – 1)-1. Абсолютное значение минимального выходного кванта напряжения определяется как предельным принимаемым числом 2n – 1, так и максимальным выходным напряжением ЦАП, называемым напряжением шкалы U шк. Так, при 12 разрядах число независимых квантов (ступенек) выходного напряжения ЦАП составляет 212 – 1 = 0,0245%. Выбранное с помощью опорного источника напряжение шкалы U шк = 10B, разделенное на это число квантов, дает абсолютную разрешающую способность ЦАП

Dx = U шк/(2n – 1) = 103 мB/ (212 – 1) = 2,45 мВ.

Характеристика преобразования (ХП) ЦАП – совокупность значений выходной аналоговой величины хi в зависимости от входного кода бi .

Характеристика преобразования (или передаточная характеристика) ЦАП изображена на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Передаточная характеристика ЦАП; A – линейность; B – нелинейность; C – немонотонность; D – выходной сигнал; E – прямая, соединяющая идеальные значения уровней выходного сигнала; dпш – погрешность полной шкалы

Отличие реального значения разрешающей способности от теоретического обусловлено погрешностями узлов и шумами ЦАП. Точность ЦАП определяется значениями абсолютной погрешности прибора, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью.

Абсолютная погрешность dшк представляет отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального расчетного, соответствующего конечной точке характеристики преобразования (см. рис. 3.15). Абсолютная погрешность обычно измеряется в единицах младшего значащего разряда (МЗР).

Нелинейность dл характеризует идентичность минимальных приращений выходного сигнала во всем диапазоне преобразования и определяется как наибольшее отклонение выходного сигнала от прямой линии абсолютной точности, проведенной через ноль и точку максимального значения выходного сигнала. Значение нелинейности не должно превышать ±0,5 единицы МЗР.

Дифференциальная нелинейность dл.диф характеризует идентичность соседних приращений сигнала. Ее определяют как минимальную разность погрешности нелинейности двух соседних квантов в выходном сигнале. Значение дифференциальной нелинейности не должно превышать удвоенное значение погрешности нелинейности. Если значение dл.диф больше единицы МЗР, то преобразователь считается немонотонным, т.е. на его выходе выходной сигнал не может наращиваться равномерно при равномерном возрастании входного кода.

Немонотонность в некоторых квантах дает уменьшение выходного сигнала при нарастании входного кода.

Аппаратурная погрешность, определяемая нестабильностью источника опорного напряжения, погрешностью ключей, резистивных матриц и выходных операционных усилителей, называется инструментальной погрешностью. Основными факторами, вызывающими возникновение погрешностей элементов, являются: технологический разброс параметров; влияние изменений окружающей среды (в основном температуры); изменение параметров во времени (старение); воздействия внешних и внутренних шумов и помех.

Все инструментальные погрешности проявляются, в основном, в следующих видах:

а) смещения нуля, характеризующего параллельный сдвиг передаточной характеристики ЦАП от усредненной прямой (вызывается напряжением смещения нуля и ненулевым входным током ОУ, а также остаточными параметрами ключей);

б) изменения коэффициента передачи, характеризующего отклонения крутизны реальной передаточной характеристики от усредненной прямой;

в) отклонения передаточной характеристики преобразователя от идеальной прямой (такая нелинейность преобразования проявляется как неидентичность приращений выходного сигнала в функции от входного кода).

К динамическим характеристикам ЦАП относятся временные параметры и максимальная частота преобразования.

Временные параметры определяют быстродействие преобразователей. Различают три временных параметра: шаг (период) квантования Dt , время преобразования (время установления выходного сигнала) t пр, длительность цикла преобразования t ц.

Шаг (период) квантования Dt – интервал времени между двумя последовательными преобразованиями. Значение, обратное периоду квантования 1/Dt = f кв, называется частотой квантования.

Время установки выходного сигнала ЦАП t пр – время от момента изменения кода на входах ЦАП до момента, когда значение выходной аналоговой величины отличается от установившегося на заданную величину (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Определение времени t пр преобразования ЦАП

Длительность цикла преобразования t ц – время между моментом подачи входного кода и выдачей выходного аналогового сигнала (t ц = t пр). Определяется, в основном, циклограммами и временными диаграммами, описывающими работу информационно-вычислительных устройств и систем с имеющимися преобразователями.

Максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

Работа ЦАП часто сопровождается специфическими переходными импульсами, которые представляют собой острые пики большой амплитуды в выходном сигнале, возникающие из-за разности времен открывания и закрывания аналоговых ключей в ЦАП. Особенно выбросы проявляются, когда вместо нуля в старшем значащем разряде и единиц в младших разрядах кода поступает единица в старший значащий разряд (СЗР) и код «все нули» в МЗР. Например, если входной код 011...111 сменяется кодом 10...000, а ключ старшего ЦАП открывается позже, чем закрываются ключи младших, то приращение выходного сигнала всего на один квант может сопровождаться импульсом с амплитудой 0,5U шк. Длительность этого пика будет соответствовать запаздыванию смены состояния ключей.

В настоящее время, в зависимости от значений параметров, выделяют прецизионные и быстро-действующие ЦАП. Прецизионные ЦАП имеют dл = 0,1%, а быстродействующие t уст = 100нс.