Азбука преобразования. Часть 1

Журнал «Chip News» №10 2002 г.
Анатолий Шитиков

Реальные физические величины обычно представлены в аналоговом виде. Для быстрой и точной обработки сигнала человек придумал цифровые способы расчета. Чтобы совместить эти два способа управления и обработки используются приборы, называемые цифро-аналоговыми и аналогово-цифровыми преобразователями (ЦАП и АЦП).

Цифро-аналоговые преобразователи

Сначала рассмотрим ЦАПы. Эти приборы во многих случаях входят составной частью в АЦП. Поэтому знание возможностей и некоторых характеристик ЦАП позволит читателю правильно выбрать указанные приборы. Чтобы управлять клапаном гидроусилителя, катушкой громкоговорителя или аналогичными изделиями от цифрового вычислителя используют цифро-аналоговые преобразователи. При выборе ЦАП необходимо определить разрядность прибора N, где 2ⁿ — эквивалентно максимальному значению аналогового выходного сигнала. Наименьшее значение аналогового сигнала соответствует одной дискрете и получается при подаче на вход ЦАП,а логической единицы только первого младшего значащего разряда (МЗР или LSB). При однополярном опорном напряжении половина аналогового сигнала получается при подаче на старший значащий сигнал (СЗР или MSB) логической «1», а на все остальные входы (разряды) — лог. «0». При однополярном питании это соответствует полному аналоговому сигналу одного знака — положительного или отрицательного.

Промышленность выпускает ЦАПы, с разрешением 8—16 разрядов (от 256 до 65536 дискрект). Разрядность не дает точного ответа на требуемую точность потому, что должны быть приняты во внимание также другие источники ошибки.

Одним из параметров при оценке точности прибора является интегральная нелинейность, которая показывает отклонение функции передачи ЦАП от прямой линии (рис. 1а) — наилучшее приближениее к фактической функции передачи между конечными точками.

Рис. 1. .Эти графики показывают основные погрешности при работе ЦАПа: (a) — интегральная нелинейность, (b) — дифференциальная нелинейность, (c) — ошибка смещения и (d) — ошибка от коэффициента передачи

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. 1в показывает дифференцирующую нелинейность (ДНЛ) с точки зрения функций передачи.

Отклонение фактического выходного значения от идеальной величины представлено на рис. 1с. 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. 1d). Так как ошибка от коэффициента усиления изменяет наклон всей функции передачи, то относительная ошибка будет на каждом шаге преобразования. Эта ошибка может быть выражена в единицах младшего значащего разряда или милливольтах, а так же в процентах от максимальной величины.

Динамические выходные характеристики

Идеальный ЦАП должен мгновенно выдать аналоговый сигнал при подаче на вход цифрового кода. Реально аналоговый сигнал на выходе появляется через какое-то время установки (Т_уст), которое состоит из времени внутренней задержки (t_зад) распространения и ограниченной скорости нарастания выходного напряжения du/dt в выходном усилителе. Т_уст начинается с преобразования и заканчивается, когда на выходе ЦАП установится стабильное значение аналогового напряжения, включая любую статическую ошибку.

Помеха, именуемая цифровым прониканием, может быть измерена на выходе ЦАП. Для этого каждое цифровое переключение на входе фиксируют на выходе в виде дополнительных выбросов к статической составляющей. Этот эффект в ЦАПе определяется неидеальностью аналоговых ключей, которые коммутируют резистивную матрицу к земле и/или к опорному напряжению.

Интерфейс данных

Раньше данные в ЦАП поступали в параллельном коде. Преимущество здесь ясно видно — быстрая передача данных и простой протокол связи. Но минимизация радиоаппаратуры требует уменьшения размеров корпуса микросхемы. Это достигается за счет передачи последовательного кода данных. Протокол последовательного периферийного интерфейса (SPI) и микросхемы, с ним связанные, сегодня имеют уже большую долю рынка ЦАП и поэтому многие из них работают с двухпроводным I²С-совместимым интерфейсом. Часто требуется гальваническая развязка линии данных. Наиболее просто это осуществляется с помощью оптронных приборов при последовательном интерфейсе. Так, новые 12ти-разрядные ЦАПы типа MAX5539 и MAX5543 имеют встроенную развязку, что позволяет получить аналоговый выход не связанный гальванически с входом.

Опорное напряжение (Von)

Характеристики ЦАП в большей степени определяются источником опорного напряжения, который может быть встроен в корпус преобразователя или применяться как внешний элемент. Если на выходе аналоговый сигнал не усиливается, то максимальный входной код соответствует Von. Опорное напряжение также определяет напряжение шага, то есть изменение выхода в ответ на 1 переход младшего значащего разряда на входе. Один шаг равен Von/2ⁿ, где N — разрядность ЦАПа.

Если при постоянной температуре опорное напряжение определяется своей начальной точностью, то при изменении температуры дрейф Von имеет непосредственное влияние на качество ЦАПа. В таблице 1 показан допустимый температурный диапазон для максимального дрейфа ±1МЗР при Von = 2,5В.

Таблица 1.

Разновидность (шт)	Число шагов	Цена 1 МЗР при 2,5В (mВ)	Максимальный температурный дрейф (ppm/°C) в диапазоне 0…70°С	Максимальный температурный дрейф (ppm/°C) в диапазоне -40…+85°С
8	256	9,766	111,61	62,50
10	1024	2,441	27,90	15,63
12	4096	0,610	6,98	3,91
13	8192	0,305	3,49	1,95
14	16384	0,153	1,74	0,98
16	65536	0,038	0,44	0,24

Таблица 1 показывает, что ЦАП требует минимального дрейфа от Von. Встроенные источники опорного напряжения обычно имеют дрейф 100 ppm/°C и, следовательно, могут использоваться в ограниченном температурном диапазоне. Исключение составляют 12/13 разрядные ЦАП типа MAX5122/MAX5132, у которых максимальный дрейф опорного напряжения составляет 10 ppm/°C (тип — 3 ppm/°C). А для получения выходного напряжения соответствующего 16-ти-разрядному ЦАП (напр. MAX5144…MAX5444) необходим внешний прецизионный источник опорного напряжения типа MAX6166. Этот ИОН записывается от источника питания +3В/+5В и выдает Uon = +2,5В и может работать в расширенном диапазоне температур.

При подключении внешнего источника опорного напряжения (ИОН) нужно учитывать не только ток и напряжение, которые требуются ЦАП, но и те динамические эффекты, которые происходят во внутренней структуре преобразователя. Изменение входного кода вызывает изменение сопротивления нагрузки ИОН. Поэтому надо выбирать такой источник опорного напряжения, который мог бы поддерживать выходной ток и напряжение при каждом шаге изменения нагрузки в пределах требуемого времени преобразования ЦАП. Часто для этих целей используют конденсатор или буферный операционный усилитель.

Организация выхода ЦАП

Преобразование двоичного входа кода в аналоговый вид может быть представлено двумя способами: током, который пропорционален значениям кода или в виде напряжения. Большинство современных ЦАП имеют более простой выход — по напряжению. Часть преобразователей MAXIMа имеет выходное напряжение с установленным коэффициентом усиления. Другие приборы имеют на выходе операционный усилитель без «обвязки». В этом случае с помощью внешних резисторов можно установить желаемый коэффициент усиления выходного сигнала (рис. 2а). С помощью такого операционного усилителя и двух внешних компонентов можно сделать токовый выход ЦАПа (рис. 2в).

Рис. 2. ЦАП с регулируемым выходом по напряжению (a); ЦАП с токовым выходом (b)

Если специально не предусмотрено, то выход ЦАП отслеживает напряжение питания при включении до тех пор, пока все встроенные цепи не начнут работать. Такое действие вызывает выходной импульс напряжением до 3 вольт, который может привести к сбою в следующей схеме. Выпускаемые преобразователи типа MAX5120/MAX5170 при включении питания предотвращают появление выброса, который устанавливает все резисторы ЦАПа в «0».

Современные цифро-аналоговые преобразователи работают с однополярным питанием. Однако они могут выдавать биополярный выходной сигнал, если добавить внешний биополярный усилитель, определить среднее значение от максимального выходного напряжения ЦАП и принять его за ноль. Приборы, подобные MAX530 работают с биополярным источником выходного напряжения.

Рис. 3. Защита схеиы с помощью диодов Шоттки от «защелкивания»

Еще один момент по питающему и опорному напряжению. Если при включении или выключении источника питания опорное напряжение превысит его более чем на 0,3В, то может произойти «защелкивание» схемы. Первое, что необходимо выполнять, это не подавать на цифровой вход данные, пока не включено питание. Или цифровой код должен не подаваться на вход прежде, чем отключится напряжение питания ЦАП. Эта проблема решается так же аппаратно с помощью диодов Шоттки.

Аналогово-цифровой преобразователи Maxim будут рассмотрены в продолженийй этой статьи. Автор тешит себя надеждой, что материал, который изложен в этой статье, и ее продолжении, пойдет на пользу в практическом выборе преобразователей. Готов ответить на вопросы, которые могут возникнуть по прочтении, и заранее благодарю за указанные в статье неточности.

По материалам фирмы MAXIM.