Сигма-дельта АЦП високого дозволу мають розвинену цифрову частину, що включає мікроконтролер. Це дозволяє реалізувати режими автоматичної установки нуля і самокалібрування повної шкали, зберігати калібрувальні коефіцієнти і передавати їх по запиту зовнішнього процесора.

Цифро-аналогові перетворювачі

Загальні відомості

Цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП) призначений для перетворення числа, визначеного, як правило, у вигляді двійкового коду, в напругу або струм, пропорційні значенню цифрового коду. Схемотехніка цифро-аналогових перетворювачів вельми різноманітна. На мал. 1 представлена класифікаційна схема ЦАП по ознаках схемотехнік. Окрім цього, ІМС цифро-аналогових перетворювачів класифікуються по наступних ознаках:

По вигляду вихідного сигналу: із струмовим виходом і виходом у вигляді напруги

По типу цифрового інтерфейсу: з послідовним введенням і з паралельним введенням вхідного коду

По числу ЦАП на кристалі: одноканальні і багатоканальні

По швидкодії: помірної і високої швидкодії

Мал. 1. Класифікація ЦАП

Послідовні ЦАП

ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією   

Дуже часто ЦАП входить до складу мікропроцесорних систем. В цьому випадку, якщо не потрібна висока швидкодія, цифро-аналогове перетворення може бути дуже просте здійснено за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). Схема ЦАП з ШІМ приведена на мал. 1а.

Мал. 1. ЦАП з широтно-імпульсною модуляцією   

Найпростіше організовується цифро-аналогове перетворення в тому випадку, якщо мікроконтролер має вбудовану функцію широтно-імпульсного перетворення (наприклад, AT90S8515 фірми Atmel або 87С51GB фірми Intel). Вихід ШІМ управляє ключем S. Залежно від заданої розрядності перетворення (для контроллера AT90S8515 можливі режими 8, 9 і 10 біт) контроллер за допомогою свого таймера/лічильника формує послідовність імпульсів, відносна тривалість яких ? =tи/ Т визначається співвідношенням

де N – розрядність перетворення, а D – перетворюваний код. Фільтр нижніх частот згладжує імпульси, виділяючи середнє значення напруги. В результаті вихідна напруга перетворювача   

Розглянута схема забезпечує майже ідеальну лінійність перетворення, не містить прецизійних елементів (за винятком джерела опорної напруги). Основний її недолік – низька швидкодія.

Послідовний ЦАП на конденсаторах, що перемикаються   

Розглянута вище схема ЦАП з ШІМ спочатку перетворить цифровий код в часовий інтервал, який формується за допомогою двійкового лічильника квант за квантом, тому для отримання N-розрядного перетворення необхідні 2N тимчасових квантів (тактів). Схема послідовного ЦАП, приведена на мал. 2, дозволяє виконати цифро-аналогове перетворення за значно менше число тактів.   

Таким чином, представлена схема виконує перетворення вхідного коду за 2N квантів, що значно менше, ніж у ЦАП з ШІМ. Тут потрібно тільки два узгоджені конденсатори невеликої місткості. Конфігурація аналогової частини схеми не залежить від розрядності перетворюваного коду. Проте по швидкодії послідовний ЦАП значно поступається паралельним цифро-аналоговим перетворювачам, що обмежує область його застосування.

Паралельні ЦАП

ЦАП з підсумовуванням вагових струмів

Розглянута схема при всій її простоті володіє цілим букетом недоліків. По-перше, при різних вхідних кодах струм, споживаний від джерела опорної напруги (ІОН), буде різним, а це вплине на величину вихідної напруги ІОН. По-друге, значення опорів вагових резисторів можуть розрізнятися в тисячі раз, а це робить вельми скрутною реалізацію цих резисторів в напівпровідникових ІМС. Крім того, опір резисторів старших розрядів в багаторозрядних ЦАП може бути сумірним з опором замкнутого ключа, а це приведе до погрішності перетворення. По-третє, в цій схемі до розімкнених ключів прикладається значна напруга, що ускладнює їх побудову.

Ці недоліки усунені в схемі ЦАП AD7520 (вітчизняний аналог 572ПА1), розробленому фірмою Analog Devices в 1973 році, яка в даний час є по суті промисловим стандартом (по ній виконане багато серійних моделей ЦАП). Вказана схема представлена на мал. 4. Як ключі тут використовуються МОП-транзистори.

Мал. 4. Схема ЦАП з перемикачами і матрицею постійного імпедансу   

ЦАП на МОП ключах мають відносно низьку швидкодію через велику вхідну місткість МОП-ключів. Той же 572ПА2 має час встановлення вихідного струму при зміні вхідного коду від 000...0 до 111...1, рівне 15 мкс. 12-розрядний DAC7611 фірми Burr-Braun має час встановлення вихідної напруги 10 мкс. У той же час ЦАП на МОП-ключах мають мінімальну потужність споживання. Той же DAC7611 споживає всього 2,5 мВт. Останнім часом з'явилися моделі ЦАП розглянутого вище типу з вищою швидкодією. Так 12-розрядний AD7943 має час встановлення струму 0,6 мкс і споживану потужність всього 25 мкВт. Мале власне споживання дозволяє живити такі мікромогутні ЦАП прямо від джерела опорної напруги. При цьому вони можуть навіть не мати висновку для підключення ІОН, наприклад, AD5321.

ЦАП на джерелах струму

ЦАП на джерелах струму володіють вищою точністю. На відміну від попереднього варіанту, в якому вагові струми формуються резисторами порівняно невеликого опору і, як наслідок, залежать від опору ключів і навантаження, в даному випадку вагові струми забезпечуються транзисторними джерелами струму, що мають високий динамічний опір. Спрощена схема ЦАП на джерелах струму приведена на мал. 6.

Мал. 6. Схема ЦАП на джерелах струму

Характерниміпрімеремі ЦАП на перемикачах струму з біполярними транзисторами як ключі є 12-розрядний 594ПА1 з часом встановлення 3,5 мкс і погрішністю лінійності не більш 0,012% і 12-розрядний AD565, що має час встановлення 0,2 мкс при такій же погрішності лінійності. Ще вищою швидкодією володіє AD668, що має час встановлення 90 нс і ту ж погрішність лінійності. З нових розробок можна відзначити