Цифроаналоговый преобразователь с резистивной сеткой R-2R

    Лабораторная  работа №4.

    Цифроаналоговый преобразователь с резистивной сеткой R-2R. 

Цель  работы: Изучить структуру и функциональные узлы (ФУ) интегральной микросхемы К572ПА1. Ознакомиться с ее основными параметрами. 

Состав  приборов: Два вольтметра  В7-38, два блока питания Б5-71, лабораторная установка. 

Общие сведения.

    В 1973 году инженеры фирмы Analog Devices разработали микросхему AD7520 (отечественный аналог – 572ПА1). В составе ее находится матрица сопротивлений R-2R. Рассмотрим подробно, как происходит преобразование кода в выходное напряжение с ее помощью (рис.1.)

    

    Рис.1. ЦАП с резистивной сеткой R-2R и токовыми ключами. 

    Подадим в старший разряд x_n-1 сигнал логической «1», а во все остальные – «0». Ключ K_n подключит резистор 2R этого разряда на инвертирующий вход операционного усилителя. Эквивалентная схема замещения для этого случая представлена на рис.2. Выходное напряжение U_N , учитывая, что R_ос=R будет равно:

    

           (1)

    где U₀ – опорное напряжение, поданное на ЦАП.

    

    Рис.2. Эквивалентная схема замещения  при x_n-1=1.

    На  вход ЦАП подадим в разряд x_n-2 – «1», а во все остальные «0»и рассмотрим работу ЦАП в этом случае (рис.3).

    

    Рис.3. Эквивалентная схема замещения при x_n-2=1.

    В этом случае выходное напряжение с  ЦАП будет равно:

    

         (2)

    Далее, при подаче на вход ЦАП кода, содержащего во всех разрядах логическую «1» Х_N=1,1,1,….1, выходное напряжение на основании принципа суперпозиции будет равно:

    

           (3)

    где ∆U_q – шаг квантования (разрешающая способность) ЦАП;

    N – число, закодированное двоичным кодом на входе ЦАП - Х_N(x_n-1,….x₀)

    Источник  опорного напряжения в схеме с  резистивной сеткой R-2R всегда нагружен на постоянное входное сопротивление R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

    Точность  схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления ключей K_n в открытом состоянии с разрядными токами. Для компенсации этих погрешностей площади перехода транзисторов, из которых сделаны токовые ключи, выполняются пропорциональными протекающему через них току. Этим достигается равенство падений напряжения на токовых переключателях всех разрядов. 

Статические параметры ЦАП.

    Характеристика  преобразования ЦАП U_N(X) – зависимость выходного напряжения U_N от поданного кода.

      Разрешающая способность ∆U_q - приращение U_N при преобразовании смежных значений кода, т.е. отличающихся на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования

∆U_q=U_NМ/(2ⁿ-1)                (4)

где U_NМ - максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы), n - разрядность ЦАП.

      Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

      Погрешность полной шкалы ε_NМ - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

%            (5) 

Эта погрешность  является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.

      Погрешность смещения нуля ε_СМ- значение U_N, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:

%             (6) 
 

      Нелинейность (интегральная нелинейность) ε_j - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования ЦАП от оптимальной. Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР.

%               (7) 

      Дифференциальная  нелинейность - максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования ЦАП от оптимальной, при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Обычно определяется в относительных единицах или в ЕМР.

%                 (8)

      Монотонность  характеристики преобразования - возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП U_N при возрастании (уменьшении) входного кода. Если дифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования, то характеристика преобразователя немонотонна.

      Температурная нестабильность ЦАП - характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

      Погрешности полной шкалы и смещения нуля могут  быть устранены калибровкой (подстройкой). Погрешности нелинейности простыми средствами устранить нельзя. 

Динамические  параметры ЦАП.

      Динамические  параметры ЦАП определяются по изменению  выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины "все нули" до "все единицы".

      Время установления - интервал времени от момента изменения входного кода до момента, когда в последний раз выполняется равенство

|U_N-U_NM|=d/2,

      Скорость  нарастания - максимальная скорость изменения U_N(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения DU_N ко времени t, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ. 

Лабораторная  установка.

    Лабораторный  установка рис.4. включает в себя десятиразрядный функционально полный ЦАП 572ПА1 и вспомогательные блоки, предназначенные, во-первых, для задания режима работы ЦАП и, во-вторых, для измерения его основных статических параметров.

      Органы управления и регулирования  расположены на панели стенда. В работе используются электронно-лучевой осциллограф и цифровой вольтметр.

    Микросхема  ЦАП К572ПА1 является структурным универсальным звеном для построения микроэлектронных ЦАП, АЦП. Благодаря малой потребляемой мощности, достаточно высокому быстродействию, возможности реализации полного двух и четырёхквадрантного умножения, небольшим габаритам она находит широкое применение в различной аппаратуре. Все её элементы выполнены на одном кристалле. Микросхема поставляется потребителям в герметичном 16-выводном металлокерамическом корпусе типа 201.16-8 с двухрядным вертикальным расположением выводов (dual-in-line package).

    Предназначена для преобразования 10-разрядного прямого  параллельного двоичного кода на цифровых входах в ток на аналоговом выходе. Микросхема выполнена по КМОП технологии.

    В состав ИС ЦАП К572ПА1 рис.5. входят прецизионная поликремневая резисторная матрица (РМ) типа R–2R, усилители-инверторы (УИ) для управления токовыми ключами, токовые двухпозиционные ключи, выполненные на КМОП-транзисторах.

    Для работы в режиме «с выходом по напряжению» к ИС ЦАП К572ПА1 подключаются внешние источники опорного напряжения (ИОН) и операционный усилитель (ОУ) с цепью отрицательной обратной связи (ЦОС), работающей в режим суммирования токов.

    Нумерация и назначение выводов микросхемы: 1 – аналоговый выход 1; 2 – аналоговый выход 2; 3 – общий вывод; 4 – цифровой вход 1 (СР); 5-12 – цифровые входы 2-9; 13 – цифровой вход 10 (МР); 14 – напряжение источника питания; 15 – опорное напряжение; 16 – вывод резистора обратной связи.

Рис.5.Функциональная электрическая схема ИС ЦАП К572ПА1. 

    Метод преобразования, используемый в данной ИС, предполагает суммирование в соответствии с заданным значением двоичного  кода всех разрядных токов, взвешенных по двоичному закону и пропорциональных значению опорного напряжения на входе 15.

    Входной ток задаётся внешним источником и последовательно делится в узлах РМ по двоичному закону. Токи ветвей РМ поступают через ключевые КМОП-транзисторы на аналоговые выходы 1 и 2 в зависимости от значений кода на входах УИ. При появлении на одном из входов ЦАП напряжения высокого уровня (x_i=1), ток соответствующей ветви РМ поступает на выход 1 а при подаче напряжения низкого уровня (x_i=0) – на выход 2.

    Двоичный  закон распределения токов в  ветвях РМ соблюдается при условии  равенства потенциалов  выходов 1 и 2. Это обеспечивается подключением выхода 1 к инвертирующему входу ОУ, охваченного отрицательной обратной связью. Неинвертирующий вход ОУ соединяется с выходом 2 и с шиной аналоговой земли. При этом осуществляется преобразование тока на выходе 1 в пропорциональное ему напряжение на выходе ОУ. Резистор R_ос определяет значение коэффициента преобразования и напряжения в конечной точке шкалы.

    Для достижения стабильности основных параметров преобразования при воздействии  внешних факторов резистор обратной связи R_ос=R=10кОм размещён на кристалле микросхемы. При использовании ИОН U₀=10,24В значение U_NM=10,23В, а ∆U_q=10мВ. Номинальное значение выходного тока составляет 1 мА, а фактическое может изменяться в пределах от 0,5 до 2мА.

    При работе с ЦАП К572ПА1 рекомендуется следующая последовательность подачи электрических режимов: потенциал земли, напряжение питания, опорное напряжение, напряжение на цифровые входы. Порядок снятия напряжения – обратный. Если уровни цифровых сигналов не превышают 5,5В, то подача режимов может быть произвольной. Опорное напряжение на вход 15 ИС может подаваться любой полярности и формы.

    Использование внешнего ОУ предполагает правильный его выбор, исходя из точностных и  скоростных свойств ЦАП. Для сохранения точности ЦАП следует использовать ИС ОУ с напряжением смещения не более 5мВ (т.е. 0,5ЕМР). Желательно такие, чтобы время установления ОУ не превышало 2-5 мкс.

    Основные  электрические параметры ИС ЦАП  К572ПА1 при температуре окружающей среды 25+10 ^оС приведены в табл.1.

    Таблица 1.