PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать

Цифро-аналоговое преобразование с помощью ШИМ может иметь очень высокую точность и быть простым в реализации. Однако для удаления из выходного сигнала гармоник, кратных частоте импульсов, требуется очень хорошая фильтрация, что приводит к увеличению времени отклика на изменение цифрового значения. Обычно ШИМ используется для управления мощными нагрузками, такими как электродвигатели или нагревательные элементы, в которых сглаживание осуществляется за счет инерционности самих исполнительных устройств. Более того, импульсный характер сигнала как нельзя лучше подходит для управления мощностью с помощью тиристорных схем.

Другой способ формирования аналогового сигнала заключается в коммутации отводов многозвенного резисторного делителя, каждая ступень которого изменяет выходное напряжение на величину, соответствующую младшему биту. Этот принцип использовался в модуле опорного напряжения компаратора, показанном на Рис. 14.7. Однако для осуществления цифро-аналогового преобразования требуется намного больше резисторов. Так, для 10-битного ЦАП требуется цепочка из 1024 резисторов.

В продаже имеется очень много микросхем ЦАП, управляемых извне. Две такие микросхемы были показаны на Рис. 12.3 и Рис. 12.5 (стр. 374 и 379 соответственно). Передача цифрового значения в эти микросхемы осуществлялась последовательно. Теперь же для полноты картины давайте познакомимся с микросхемой, имеющей параллельный интерфейс для ввода цифровых данных.

Подавляющее большинство микросхем ЦАП основаны на многозвенной резистивной цепи типа R-2R, подобной изображенной на Рис. 14.15, а. Напряжение, прикладываемое к каждому отводу при замыкании соответствующего ключа, передается на выходной узел после ослабления (деления). Как мы увидим чуть позже, каждая последующая ступень ослабляет это напряжение Ь_i в 2 раза, формируя для N-битного значения следующую весовую функцию:

Сопротивление в точке А схемы, показанной на Рис. 14.15,б, равно R (2R||2R), в результате чего напряжение ослабляется в 2 раза. По мере продвижения к правому краю цепочки этот процесс повторяется, деля каждое из напряжений на два. Так, в точке В напряжение Ь₀/2 уменьшается в 2 раза, в результате чего мы получаем = Ь₀/4. Поскольку схема симметрична, сопротивление каждого узла с левой стороны также равно 2R. Это означает, что со стороны любого цифрового ключа общее сопротивление равно 2R + 2R||2R = 3R. Это очень важно, поскольку характеристики транзисторного ключа, такие как его сопротивление, зависят от тока, и поддержание их на одном уровне уменьшает ошибку преобразования.

Рис. 14.15. Цифро-аналоговое преобразование с помощью многозвенной резистивной цепи типа R-2R

Для простоты мы ограничились рассмотрением только для трех битов. Однако данный пример можно расширить простым переносом левого оконечного резистора и вставкой требуемого количества секций. Это не влияет на сопротивление узла с правой стороны и, соответственно, не изменяет режимов работы расположенных правее секций. Если мы еще раз взглянем на наши рассуждения, то увидим, что нигде в вычислениях не фигурирует абсолютное значение сопротивления. На самом деле точность преобразования зависит только от соотношения R:2R. Дело в том, что резисторы с точным соотношением сопротивлений изготовить на кремниевой подложке относительно легко, в отличие от резисторов с точными абсолютными значениями сопротивлений. По этой причине в большинстве интегральных микросхем ЦАП используются многозвенные цепи R-2R.

В качестве примера возьмем широко распространенную микросхему МАХ506 компании Maxim, изображенную на Рис. 14.16. Это устройство в 20-выводном корпусе содержит четыре независимых ЦАП, использующих одно внешнее опорное напряжение VKf. Цифровые данные подаются на выводы D[7:0], а один из четырех регистров-защелок выбирается с помощью адресных входов А[1:0]. После защелкивания байт данных перегружается в выбранный регистр и появляется на соответствующем выходе VOUT_n.

Рис. 14.16. Счетверенный 8-битный ЦАП МАХ506 компании Maxim

Это выходное напряжение будет находиться в диапазоне от нуля (аналоговая земля — AGND) — для входного кода h’00’ и до V_ref — для входного кода h’FF’. Когда вывод V_SS подключен к общему проводу, напряжение V_ref может иметь любое значение от 0 В до V_DD (+5 В). Однако напряжение на выводе V_SS может достигать значения -5 В, и в этом случае V_ref может лежать в диапазоне ±5 В. Если V_ref отрицательно (в случае двухполярного источника питания), то выходное напряжение также будет отрицательным. В любом случае выходное напряжение определяется выражением D х V_ref, где D — входной цифровой код, соответствующий долям из диапазона 0…1 (h’00’…h’FF’).