5. элементы импульсной и цифровой техники

5.5.1. Цифро – аналоговые преобразователи

Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально весу присутствующего на входе кода. Выходное напряжение является суммой напряжений, каждое из которых обусловлено единицей в соответствующем разряде входного кода: единица в первом разряде определяет выходное напряжение ΔU, единица во втором разряде определяет выходное напряжение 2ΔU, единица в третьем разряде - 4ΔU, и т.д. (рис.5.13, а). Так, например, код 10110 определяет напряжение на выходе

1·16 ΔU + 0·8 ΔU + 1·4 ΔU + 1·2 ΔU + 0ΔU = 22 ΔU.

Смена входного кода обусловливает смену напряжения на выходе ЦАП.

Такое преобразование можно выполнить разными способами, один из которых – применение двоично - взвешенных резисторов, сопротивления которых соотносятся как веса разрядов двоичного кода (R, 2R, 4R …). На рис. 5.13, б представлена схема ЦАП, основу которой составляет инвертирующий сумматор на ОУ с двоично - взвешенными резисторами на входе.
Недостатком схемы является необходимость тщательного отбора резисторов разных номиналов (сопротивления резисторов должны находиться в строгом соответствии), и невозможность выдержать постоянными значения сопротивлений в широком диапазоне температур.

Второй вариант построения ЦАП предусматривает использование резисторной матрицы R - 2R, суммирующей ток (рис.5. 14, а).

Такая матрица содержит сопротивления только двух номиналов, что делает ее выполнение намного проще.

Каждый ключ (Кл) управляется выходным потенциалом своего разряда: если в разряде присутствует 0 , то ключ подключает к резистору «землю», если в разряде присутствует «1», то ключ подключает соответствующий резистор к входу ОУ.

Поскольку ОУ не потребляет ток, т. е. потенциал входа ОУ практически равен нулю, то матрицу сопротивлений можно представить в виде, изображенном на рис.5.14, б. Рассматривая матрицу сопротивлений сверху вниз, легко заметить, что эквивалентное сопротивление элементов, расположенных выше узлов 1 - 1', 2 -2' и т. д. равно 2R. Поскольку токи в узлах делятся пополам, то токи в ветвях соотносятся как веса разрядов двоичного кода.
Если в определенном разряде кода присутствует 1, то соответствующий разряду ключ коммутирует ток ветви, пропорциональный весу кодовой 1, на вход ОУ.
Коммутируемые ключами токи суммируются и протекают через резистор R₀, создавая на резисторе, а, следовательно, и на выходе ЦАП падение напряжения, эквивалентное действующему на входе коду.
Из рассмотрения матрицы сопротивлений видно, что полное сопротивление между источником опорного напряжения и входом ОУ равно R и не зависит от числа единиц и нулей в разряде кода. Поэтому ток на входе матрицы всегда равен U_ОП / R, а коэффициент усиления ОУ равен R₀ / R.
Таким образом, напряжение на выходе ЦАП с резисторной матрицей R - 2R пропорционально произведению напряжения внешнего источника и входного кода. Условное изображение ЦАП приведено на рис. 5.15.

Если источник опорного напряжения внешний, то ЦАП можно использовать как перемножитель. Такие ЦАП получили название перемножающих. На перемножающих ЦАП строятся также делительные устройства.