Частотные характеристики:

• SNDR (отношение сигнал/шум+искажения) характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;
• HDi (коэффициент i-й гармоники) характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;
• THD (коэффициент гармонических искажений) — отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.

       2.1.2 Последовательные ЦАП

2.1.2.1 ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

 

       Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис. 2

 

       Рис. 2. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

       Наиболее  просто  организуется  цифро-аналоговое  преобразование  в  том  случае,  если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8,  9 и 10 бит) контроллер с  помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых γ = t_и/ Т определяется соотношением 
 

                                                                                 (2.1)

       где N – разрядность преобразования, а D – преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает  импульсы,  выделяя  среднее  значение напряжения.  В результате выходное напряжение преобразователя

                                                                      (2.2)

       Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных   элементов   (за   исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток – низкое быстродействие.

2.1.2.2 Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

 

       Рассмотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для получения N-разрядного преобразования необходимы 2^N  временных квантов (тактов). Схема последовательного  ЦАП  позволяет  выполнить  цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

        Рис. 2 Схема последовательного  ЦАП на

       переключаемых конденсаторах

       ^{В этой схеме емкости конденсаторов С}₁ ^{и С}₂ ^{равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С}₂ ^{разряжается ключом S}₄^{. Входное двоичное слово задается в виде} последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда d₀. Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С₁ заряжается до опорного напряжения U_оп   при d₀=1 посредством замыкания ключа S₁ или разряжается до нуля при d₀=0 путем замыкания ключа S₂. Во втором полутакте при разомкнутых ключах S₁, S₂ и S₄ замыкается ключ S₃, что вызывает деление заряда пополам между С₁ и С₂. В результате получаем 

       U₁(0)=U_вых(0)=(d₀/2)U_оп                                                          ^(2.3)

       Пока на конденсаторе С₂ сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С₁ должна быть повторена для следующего разряда d₁   входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет

                                             (2.4)

       Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В результате для N-разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно

       

                             (2.5)

       Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

       Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора  небольшой  емкости.  Конфигурация  аналоговой  части  схемы  не  зависит  от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

       2.1.3 Формирование выходного сигнала в виде напряжения

       Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Два из них показаны на рис. 3.

Рисунок 3  Формирование напряжения по токовому выходу ЦАП

       На  рис. 3а приведена схема с преобразователем тока в напряжение на операционном усилителе (ОУ). Эта схема пригодна для всех ЦАП с токовым выходом .

       Для ЦАП на МОП-ключах с учетом  выходное напряжение.

                                    (2.6)

       Обычно  сопротивление резистора обратной связи R_ос = R. В таком случае:

                                                         (2.7)

       Для цифро-аналогового преобразователя  на источниках тока преобразование выходного  тока в напряжение может быть произведено  с помощью резистора (рис.3б). Такой режим обеспечивается при низких значениях сопротивления нагрузки: R_н >1 кОм. Для увеличения амплитуды выходного сигнала ЦАП в этой схеме к ее выходу можно подключить неинвертирующий усилитель на ОУ.

       Для ЦАП с МОП-ключами, чтобы получить выходной сигнал в виде напряжения, можно использовать инверсное включение  резистивной матрицы (рис. 4).

Рисунок 4  Инверсное включение ЦАП с МОП-ключами 

       Выходное  напряжение ЦАП :

                                   (2.8)

       В просмотренной литературе часто  встречались и рекомендовались  авторами ИС типа: MAX504, MAX515.

       2.2 Шина I2C

       Шина PC (Inter-integration Circuit Bus) была разработана  фирмой PHILIPS специально для электронной  аппаратуры широкого применения и, в частности, для телевидения. Шина представляет собой двунаправленную магистраль с последовательной передачей данных со скоростью до 100 кбит/сек (стандартный режим). Позже был введен режим быстрой передачи со скоростью до 400 кбит/с. Шина состоит из двух сигнальных линий: линии данных — SDA (Serial Data) и тактовой линии (синхронизации) — SCL (Serial Clock Line). Обе линии связаны с положительным напряжением источника питания. Когда шина свободна, обе линии находятся в состоянии высокого уровня. Любая микросхема (устройство) подключается к шине в соответствии с рис. 5.

       

       Рис. 5. Пример соединения микросхем с шиной I²С

       Выходной  каскад любого из подключенных устройств  состоит из двух транзисторов с открытым стоком и двух буферных элементов  с высоким входным сопротивлением. Один из выводов (SDA) предназначен для соединения с линией данных, другой вывод (SCL) предназначен для соединения с линией синхронизации.

       Микросхема (устройство), передающая сообщение, является передатчиком, а в момент приема сообщений — приемником. Каждая микросхема, подключенная к шине, может работать как передатчик или как приемник.

       Кроме того, передающие и принимающие устройства могут рассматриваться как ведущие (master), и ведомые (slave). Ведущий — это устройство, инициирующее передачу, генерирующее тактовые сигналы и обрывающие передачу. В то же время все принимающие данные устройства являются ведомыми. Примером ведущего устройства является микроконтроллер. К магистрали может быть одновременно подключено несколько ведущих устройств.

       2.3 Операционный усилитель

       На  выходе из ЦАП аналоговый сигнал нужно  усилить. Для этого воспользуемся  операционным усилителем.

       Операционный  усилитель (ОУ, OpAmp) — усилитель постоянного  тока с дифференциальным входом и, как  правило, единственным выходом, имеющий  высокий коэффициент усиления.

       Параметры усилителей:

• Коэффициент усиления – показывает во сколько раз сигнал на входе больше, чем сигнал на выходе.

       

                                                               (2.9)

       

                                                                 (2.10)

       

                                                                  (2.11)

       где К_I, К_U, К_Р – коэффициенты усиления по току, по напряжению, по мощности;

       I_вых – ток на выходе усилителя, А;

       I_вх – ток на входе усилителя, A;

       U_вых – напряжение на выходе усилителя, В;

       U_вх – напряжение на входе усилителя, В;

       Р_вых – мощность на выходе усилителя, Вт;

       Р_вх – мощность на входе усилителя, Вт.

• Диапазон усиливаемых частот – это область частот, в которых изменение коэффициента усиления не превышает допустимых значений.
• Выходная мощность – это мощность, которая развивается усилителем в нагрузке.
• Номинальная выходная мощность – наибольшее значение мощности, при которой искажения в усилителе не превышают допустимых значений.
• Электрический КПД – это отношение выходной мощности к мощности, расходуемой источником анодного питания усилителя (соответствует ламповым усилителям):

       

                                                          (2.12)

• Промышленный КПД – отношение выходной мощности к суммарной мощности питания цепи усилителя:

       

                                                                 (2.13)

       

                                                                 (2.14)

• Частотные искажения – искажения любой фирмы электрических сигналов обусловленные различной степенью усиления слагающих напряжения различной частоты.

 

3 Разработка структурной схемы устройства

       В состав структурной схемы входят следующие элементы:

• Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)
• Параллельный регистр (Пр)
• Операционный усилитель