Рис. 4 2. Сглаживание в ЦАП. Небольшое сглаживание устраняет ступенчатую форму сигнала, однако хороший узкопопос-ный фильтр предпочтительнее

Выход ЦЛП

было бы преобразование каждого числа в группу импульсов, количество импульсов в которой было бы равно числу; единица дала бы один импульс, а 65 536 - 65 536 импульсов. Недостаток такой системы в трудности воспроизведения отрицательных чисел; между сглаживающей цепью и выходной ступенью необходимо включить конденсатор или трансформатор для исключения постоянной составляющей.

Ддя наглядности проиллюстрируем процесс преобразования с использованием 4-битовых чисел. В таком числе (как и любом двоичном) каждый бит имеет различный вес в соответствии с местоположением в числе; например, 0001 представляет собой единицу, 0010 - два; 0100 - четыре и 1000 - восемь; это - последовательность степеней, в которую возводится два. На рис. 4.3 показаны регистр и генератор напряжений для 8 бит, каждый бит генерирует напряжение, пропорциональное его значимости в числе; 1 бит на втором месте дает 2 мВ, на четвертом 8 мВ, на седьмом 64 мВ. Сложение этих напряжений дает амплитуду напряжения, пропорциональную двоичному числу 74 мВ в рассматриваемом примере. В этом сущность всех ЦАП.

Рисунок 4.4 иллюстрирует практическую схему реализации метода. Четыре резистора используются в цепи отрицательной обратной связи и определяют уровень на выходе буферного усилителя в зависимости от коэффициента деления напряжения. В свою очередь он зависит от отношения сопротивлений, так что переключение резисторов формирует изменения напряжения, пропорциональные сопротивлениям. В этом примере каждый резистор может быть включен с помощью аналогового ключа, который в свою очередь управляется параллельным выходом регистра. Если наивысший порядок бит в регистре 1, то включается резистор, сопротивление которого обозначено R, если следующий бит 1, то включается 2R, и т.д.

Выходное напряжение

Регистр

Переключатели Аналоговый напряжения сумматор

Рис. 4 3. Принцип взвешенного преобразования. Каждый выход регистра управляет переключателем напряжения, которые расположены по степеням двух. При суммировании напряжений восстанавливается амплитуда аналогового сигнала

Рис 4.4. Сумматор напряжений, показанный толысо для четьфех бит. Используется операционный усипитель с переключаемыми сопротивлениями в цепи обратной связи. Недостаток схемы - необходимость использования широкого диапазона сопротивлений и жесткие требования на их значения. Выход зависит от того, какие резисторы включены

Опорное

напряжение

1 i

в результате напряжение на выходе буферного усилителя (или аналогового сумматора) будет пропорционально двоичному числу. Пока пренебрежем отрицательными числами, поскольку они реализуются путем изменения напряжения, соответствующего старщему разряду; это несущественно для выяснения принципа действия преобразователя; главное - простота метода.

Преобразователи с переключаемыми резисторами щироко распространены и весьма эффективны только для ограниченного числа бит. Проблема состоит в том, что по мере расширения диапазона сопротивлений существенно возрастают требования к точности резисторов. Например, рассмотрим схему, в которой минимальное сопротивление составляет 2 К. Это приемлемая величина, если нельзя пренебречь выходным сопротивлением усилителя и самого резистора, сопротивление которого несравненно больше сопротивления аналогового ключа. Таким образом, для 8-битового преобразователя сопротивления резисторов, соответствующие двойке, возведенной в квадрат, должны составлять 4 К, 8 К, 16 К ... до 256 К. Поскольку это широкий диапазон, допуск на сопротивления должен быть весьма жестким. В системе с 8 битами сопротивления должен быгь не хуже одной 256-й. Такие требования непросто реализовать даже при ручной установке сопротивлений, а тем более в интегральном исполнении. Задача решается путем создания тснкопленочных схем с использованием компьютерного оборудования для подгонки сопротивлений резисторов, опять же только не более чем для 8 бит.

Применительно к 16-битовой системе преобразование представляется практически невозможным. Даже если уменьшить минимальное сопротивление до 1 К, то максимальное значение составит 65 М и требования к допуску на сопротивления будут порядка 0,006 %. Скорость преобразования может быть велика, и 16-битовые преобразователи такого типа с тонкопленочными резисторами для некоторых целей находят практическое применение. Для массового применения этот метод реально неприменим. Жесткие требования к допускам на сопротивления могут быть смягчены преобразованием в четырех битах, поскольку старший порядок бит требует наибольшей точности.

сложение токов

Альтернативой сложению напряжений служит сложение токов. Разумеется, значением тока можно управлять с помощью цепи сопротивлений, и хотя используемые в этом варианте значения сопротивлений более приемлемы, требования к точности их соблюдения сохраняются, как и в предыщущем случае. Есть, однако, и некоторая разница. Вместо преобразования 16-битового числа путем сложения 16 напряжений (каждое последующее из которых вдвое больше предыдущего) можно рассмотреть вариант использования 65 535 источников тока.

Для примера ограничимся тремя разрядами (рис. 4.5). Двоичное число демультиплексируется схемой, имеющей 8 выходов. Если на входе ООО, то ни на одном из выходов не будет высокого уровня; если на входе 001, то на одном из выходов будет высокий уровень; если на входе 010, то на двух выходах высокий уровень; если на выходе 011, то на трех выходах будет высокий уровень и т.д. Если каждый выход демультиплексора переключает равные токи, то полный ток пропорционален двоичному числу. Система привлекает менее жесткими требованиями к допускам, поскольку биты не взвешены.

Попытка сконструировать 65 536 источников тока, управляемых регистром, не так уж страшна для современной интегральной техники. В настоящее время несмотря на общую тенденцию сокращения числа используемых компонентов надежно работают и более сложные интегральные схемы. Предметом компромисса служит количество источников тока. Вместо 65 536 одинаковых источников тока можно применить меньшее количество источников, поставив их в зависимость от местоположения бита. Предположим, что мы имеем 16 383 источника, каждый из которых оценивается 1, 2, 4 и 8 единицами. Ступеньки тока формируются с помощью резисторов, точность которых вполне реализуема при современной интегральной технологии; число компонентов существенно сокращается даже при более сложном преобразователе с 16 битами на входе. Так построен ЦАП, используемый в системе КД.

Другая возможность состоит в использовании токов, взвешенных в отношении 2:1; при этом нужно только 16 переключающих ступе-

Генератор тока

Ток выхода

Демультиплексор (1 единица тока на вход)

Рис. 4.5. Метод сложения токов. На входе демультиплексора (три пинии) - двоичные сигналы. Каждая комбинация напряжений на входах вызьшает повьппение уровня на выходах; если на входе 001 - одна линия на выходе имеет положительный потенциал, если 101 - то пять линий. Выходы демультиплексора приводят в действие ге.Чераторы тока, каждый из которых дает единицу тока в схему сумматора (не показан)