Азбука преобразования. Часть 1
Журнал «Chip News» №10 2002 г.
Анатолий ШитиковРеальные физические величины обычно представлены ваналоговом виде. Для быстрой иточной обработки сигнала человек придумал цифровые способы расчета. Чтобы совместить эти два способа управления иобработки используются приборы, называемые цифро-аналоговыми ианалогово-цифровыми преобразователями (ЦАП иАЦП).
Цифро-аналоговые преобразователи
Сначала рассмотрим ЦАПы. Эти приборы вомножественных случаях входят составной частью вАЦП. Поэтому знание возможностей инекоторых характеристик ЦАП позволит читателю правильно выбрать указанные приборы. Чтобы управлять клапаном гидроусилителя, катушкой громкоговорителя или аналогичными изделиями отцифрового 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 иполучается при подаче навход ЦАП,алогической единицы только первого младшего значащего разряда (МЗР или LSB). При однополярном опорном напряжении половина аналогового сигнала получается при подаче настарший значащий сигнал (СЗР или MSB) логической «1»,анавсе остальные входы (разряды)— лог. «0».При однополярном питании это соответствует полному аналоговому сигналу одного знака— положительного или отрицательного.
Промышленность выпускает ЦАПы, сразрешением 8—16разрядов (от256до65536дискрект). Разрядность недает точного ответа натребуемую точность потому, что должны быть приняты вовнимание также другие источники ошибки.
Одним изпараметров при оценке точности прибора является интегральная нелинейность, которая демонстрирует отклонение функции передачи ЦАП отпрямой линии ( 1а)— наилучшее приближениее кфактической функции передачи между конечными точками.
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 вкаждом шаге. Вдешевых приборах интегральная нелинейность достигает 1МЗР.
Дифференциальная нелинейность— различие между фактической высотой шага иидеальным значением 1МЗР. Заданная величина для дифференциальной нелинейности (≤ 1МЗР) гарантирует, что ЦАП является монотонным. Это означает, что никакие данные непотеряны, поскольку выходной сигнал всегда изменяется всоответствии сцифровым кодом навходе.
1впоказывает дифференцирующую нелинейность (ДНЛ) сточки зрения функций передачи.
Отклонение фактического выходного значения отидеальной величины представлено на 1с. Для ЦАП ошибка смещения равна выходному напряжению, когда цифровой код навходе нулевой. Эта ошибка остается константной для всех входных значений, иона может быть скомпенсирована при калибровке схемы. Ошибка смещения часто определяется как абсолютная величина вмилливольтах, анеМЗР. Приемлемая ошибка смещения— обычно меньше, чем ±10мВ.
Ошибка откоэффициента усиления определяется как разность между идеальным выходным напряжением ифактическим максимальным значением функции передачи после вычитания ошибки смещения ( 1d).Так как ошибка откоэффициента усиления изменяет наклон всей функции передачи, тоотносительная ошибка будет накаждом шаге преобразования. Эта ошибка может быть выражена вединицах младшего значащего разряда или милливольтах, атакже впроцентах отмаксимальной величины.
Динамические выходные характеристики
Идеальный ЦАП должен мгновенно выдать аналоговый сигнал при подаче навход цифрового кода. Реально аналоговый сигнал навыходе появляется через какое-то время установки (Туст), которое состоит извремени внутренней задержки (tзад) распространения иограниченной скорости нарастания выходного напряжения du/dtввыходном усилителе. Туст опять начинается спреобразования изаканчивается, когда навыходе ЦАП установится стабильное значение аналогового напряжения, включая любую статическую ошибку.
Помеха, именуемая цифровым прониканием, может быть измерена навыходе ЦАП. Для этого каждое цифровое переключение навходе фиксируют навыходе ввиде дополнительных выбросов кстатической составляющей. Этот эффект вЦАПе определяется неидеальностью аналоговых ключей, которые коммутируют резистивную матрицу кземле и/или копорному напряжению.
Интерфейс данных
Раньше данные вЦАП поступали впараллельном коде. Преимущество здесь ясно видно— быстрая передача данных ипростой протокол связи. Номинимизация радиоаппаратуры требует уменьшения размеров корпуса микросхемы. Это достигается засчет передачи последовательного кода данных. Протокол последовательного периферийного интерфейса (SPI) имикросхемы, сним связанные, на данный момент имеют уже большую долю рынка ЦАП ипоэтому многие изних работают сдвухпроводным I2С-совместимым интерфейсом. Часто требуется гальваническая развязка линии данных. Наиболее просто это осуществляется спомощью оптронных приборов при последовательном интерфейсе. Так, новые 12ти-разрядные ЦАПы типа MAX5539 иMAX5543 имеют встроенную развязку, что позволяет получить аналоговый выход несвязанный гальванически свходом.
Опорное напряжение (Von)
Характеристики ЦАП вбольшей степени определяются источником опорного напряжения, который может быть встроен вкорпус преобразователя или применяться как внешний элемент. Если навыходе аналоговый сигнал неусиливается, томаксимальный входной код соответствует Von. Опорное напряжение также определяет напряжение шага, тоесть изменение выхода вответ на1переход младшего значащего разряда навходе. Один шаг равен Von/2n,где N— разрядность ЦАПа.
Если при постоянной температуре опорное напряжение определяется своей начальной точностью, топри изменении температуры дрейф Von имеет непосредственное влияние накачество ЦАПа. Втаблице 1показан 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 1показывает, что ЦАП требует минимального дрейфа отVon. Встроенные источники опорного напряжения обычно имеют дрейф 100ppm/°Cи,следовательно, могут использоваться вограниченном температурном диапазоне. Исключение составляют 12/13разрядные ЦАП типа MAX5122/MAX5132, укоторых максимальный дрейф опорного напряжения составляет 10ppm/°C(тип— 3ppm/°C).Адля получения выходного напряжения соответствующего 16-ти-разрядному ЦАП (напр. MAX5144…MAX5444) необходим внешний прецизионный источник опорного напряжения типа MAX6166. Этот ИОН записывается отисточника питания +3В/+5Вивыдает Uon=+2,5Виможет работать врасширенном диапазоне температур.
При подключении внешнего источника опорного напряжения (ИОН) нужно учитывать нетолько ток инапряжение, которые требуются ЦАП, ноитединамические эффекты, которые происходят вовнутренней структуре преобразователя. Изменение входного кода вызывает изменение сопротивления нагрузки ИОН. Поэтому надо выбирать такой источник опорного напряжения, который могбы поддерживать выходной ток инапряжение при каждом шаге изменения нагрузки впределах требуемого времени преобразования ЦАП. Часто для этих целей используют конденсатор или буферный операционный усилитель.
Организация выхода ЦАП
Преобразование двоичного входа кода ваналоговый вид может быть представлено двумя способами: током, который пропорционален значениям кода или ввиде напряжения. Большинство современных ЦАП имеют более простой выход— понапряжению. Часть преобразователей MAXIMа имеет выходное напряжение сустановленным коэффициентом усиления. Другие приборы имеют навыходе операционный усилитель без «обвязки». Вэтом случае спомощью внешних резисторов можно установить желаемый коэффициент усиления выходного сигнала (2а).Спомощью такого операционного усилителя идвух внешних компонентов можно сделать токовый выход ЦАПа (2в).
2.ЦАП с регулируемым выходом по напряжению (a); ЦАП с токовым выходом (b)
Если специально непредусмотрено, товыход ЦАП отслеживает напряжение питания при включении дотех пор, пока все встроенные цепи неначнут работать. Такое действие вызывает выходной импульс напряжением до3вольт, который может привести ксбою вследующей схеме. Выпускаемые преобразователи типа MAX5120/MAX5170 при включении питания предотвращают появление выброса, который устанавливает все резисторы ЦАПа в«0».
Современные цифро-аналоговые преобразователи работают соднополярным питанием. но они могут выдавать биополярный выходной сигнал, если добавить внешний биополярный усилитель, определить среднее значение отмаксимального выходного напряжения ЦАП ипринять его заноль. Приборы, подобные MAX530 работают сбиополярным источником выходного напряжения.
3.Защита схеиы с помощью диодов Шоттки от «защелкивания»
Еще один момент попитающему иопорному напряжению. Если при включении или выключении источника питания опорное напряжение превысит его более чем на0,3В,томожет произойти «защелкивание» схемы. Первое, что необходимо выполнять, это неподавать нацифровой вход данные, пока невключено питание. Или цифровой код должен неподаваться навход прежде, чем отключится напряжение питания ЦАП. Эта проблема решается также аппаратно спомощью диодов Шоттки.
Аналогово-цифровой преобразователи Maxim будут проанализированы впродолженийй этой статьи. Автор тешит себя надеждой, что материал, который изложен вэтой аналитической статье, иеепродолжении, пойдет напользу впрактическом выборе преобразователей. Готов ответить навопросы, которые могут возникнуть попрочтении, изаранее благодарю зауказанные ваналитической статье неточности.
Поматериалам фирмы MAXIM
Источник: rtcs.ruЧитайте далее: Weller — мир профессионального паяльного оборудования (2), Можно ли использовать тайваньские паяльные станции?, Новый шаг в эволюции паяльника, Микроконтроллеры EP73xx семейства Maverick фирмы Cirrus Logic, Новое поколение ЦСП Texas Instruments, Oднокристальный контроллер Ethernet CS8900A, Микроконтроллеры в России: вчера, на данный момент, завтра…, Рабы своих семейств, или почему разработчики микроконтроллерной техники не очень, Трактат о проектировании эмуляторов таксофонных карт, Микроконтроллеры фирмы NEC. Часть 2., Контроллерный рынок России:факты и домыслы, парадоксы и закономерности, Что такое, НАБОР КОМАНД PIC МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА PIC14000/PIC16CXXX, НАБОР КОМАНД PIC МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА PIC16С5X, НАБОР КОМАНД PIC МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ СЕМЕЙСТВА PIC17CXXX, Сопряжение матрицы клавиатуры с микроконтроллером. Несколько вариантов., Управление нагрузкой 220В переменного напряжения с использованием симисторов, Подпрограммы умножения и деления для PIC., Телевизор скоро прикажет долго жить!,
|
