Цифро-аналоговые преобразователи ведущих фирм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования

Иркутский национальный исследовательский

Технический университет

Кафедра вычислительной техники

Реферат

Тема: Цифро-аналоговые преобразователи ведущих фирм

Выполнила И.Н. Титова

Проверил В.И. Глухих

Иркутск 2015

Введение

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) - это устройство, которое преобразует цифровой (обычный двоичный) сигнал в аналоговый (напряжение, заряд или ток). ЦАП является интерфейсом между аналоговыми сигналами и дискретными цифровыми.

Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

· По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.

· По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.

· По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

· По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рис. 1. Классификация ЦАП

Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей

ЦАП содержит элементы цифровой и аналоговой схемотехники. В качестве аналоговых элементов используются операционные усилители, аналоговые ключи (коммутаторы), резисторные матрицы и т.д.

Аналоговые элементы, входящие в состав ЦАП, практически полностью определяют его качественные и эксплуатационные параметры, основную роль при этом играют точность подбора номиналов резисторов резисторной матрицы и параметров операционного усилителя (ОУ).

Последовательный ЦАП

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)

Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С 51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом. 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.

Рис. 1. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Основной ее недостаток - низкое быстродействие.

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом. Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

Параллельный ЦАП

ЦАП с суммированием весовых токов

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3. интегральный аналоговый цифровой

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения, будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения источника опорного напряжения. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной их реализацию. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА 1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Рис. 4. Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

ЦАП на источниках тока

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. Упрощенная схема ЦАП на источниках тока приведена на рис. 5

Рис. 5. Схема ЦАП на источниках тока

Применение цифро-аналоговых преобразователей

Главная задача ЦАП - улучшить качество звучания цифровых источников.

Наверняка у многих найдется дома хотя бы одно устройство, к которому можно подключить преобразователь помимо компьютера. Как правило, применяется подключение по USB, а установка драйверов не требуется. По сути ЦАП используется как внешняя звуковая карта. Причем заметно более качественная, чем обычные карточки. Но это не предел возможностей ЦАПов.

Итак, к ЦАПам можно подключать: игровые консоли, сетевые музыкальные проигрыватели и серверы, медиаплееры, CD-, DVD- и Blu-ray-плееры и др. Есть и экзотические варианты, готовые работать напрямую с iPhone (Peachtree iDac) или по Wi-Fi (Arcam rDac Wireless).

В последнее время спрос на ЦАПы и усиление конкуренции между их производителями спровоцировали появление оригинальных решений. В частности, появилось немало ЦАПов, которые совмещают в себе функции нескольких устройств. Таким образом, покупатели могут сэкономить деньги. Обычно многофункциональное устройство дешевле, чем два специализированных (хотя может уступать им по качеству). Мы перечислим только самые интересные и доступные в продаже варианты оригинальных устройств.

ЦАП + усилитель для наушников - позволяет слушать музыку в наушниках без помощи специального усилителя. Такое решение в последнее время стало весьма популярным, потому что такие устройства удобны в использовании и отличаются хорошем соотношением цена/качество. К таким моделям относятся ASUS Xonar Essence One, Audiolab M-DAC, Cambridge Audio DacMagic Plus, ESI Dr. DAC Prime, TEAC A-H01 и др.

ЦАП + CD-плеер - позволяет слушать музыку, как с внешних источников (как ЦАП), так и с компак-дисков (как CD-плеер). Такие модели имеют дизайн и конструкцию как плееров и их принято считать плеерами. Хотя их можно использовать как ЦАПы и не использовать возможность играть диски. К примеру, такую конструкцию имеют Audiolab 8200CD, Cambridge Audio Azur 840C, Denon DCD-2010AE, Marantz SA KI Pearl LITE.

ЦАП в составе видеокарты служит для преобразования изображения, формируемого видеоконтроллером, в уровни интенсивности цвета, подаваемые на аналоговый монитор. Возможный диапазон цветности изображения определяется только параметрами RAMDAC. Чаще всего RAMDAC имеет четыре основных блока - три цифроаналоговых преобразователя, по одному на каждый цветовой канал (красный, зелёный, синий, RGB), и SRAM для хранения данных о гамма-коррекции.

Однако ведущими мировыми производителями широкого спектра цифро-аналоговых преобразователей являются компании Maxim Integrated Products и Analog Devices.

Компания Maxim Integrated Products разрабатывает и производит микросхемы ЦАП свыше 20 лет. Сегодня она выпускает, пожалуй, самую широкую номенклатуру данного класса - более 500 типов, среди которых - ЦАП с разрешением от 4 до 16 разрядов: от самых простых и дешевых, в корпусах SOT23, до сложных высокоточных 16-разрядных многоканальных устройств для промышленных измерений.

Рассмотрим цифро-аналоговые преобразователи, выпущенные компанией Maxim за последнее время. При выборе микросхемы ЦАП для конкретных приложений играют существенную роль следующие характеристики:

· Напряжение питания USUP;

· Потребляемый ток ICC;

· Рассеиваемая мощность PDISS;

· Разрядность N в битах. (Линейка ЦАП компании Maxim включает преобразователи с разрядностью от 4 до 16 бит. Наиболее широкое распространение получили 8- и 12-разрядные модели);

· Тип выхода: потенциальный или токовый; nf

· Тип (встроенный или внешний) и номинал источника опорного напряжения (ИОН);

· Количество каналов. (Линейка ЦАП компании Maxim включает преобразователи с числом каналов от 1 до 32. Большая часть линейки- одинарные, сдвоенные и счетверенные ЦАП);

· Тип входного интерфейса. Применяются интерфейсы с последовательной и параллельной передачей данных. Из последовательных в номенклатуре компании Maxim используются (за редкими исключениями) интерфейсы SPI и I2C. Параллельные принято разделять на каналы с побайтовым доступом (при разрядности более восьми загрузка входного кода D происходит последовательно, один байт за другим) и каналы с пословным доступом (входной код загружается целиком за одну операцию).

Характеристики, определяющие разрешение:

· Интегральная нелинейность INL- характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной (строго линейной) характеристики. Выражается в количестве младших значащих разрядов (LSB).

· Дифференциальная нелинейность DNL определяет, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 LSB, отличается от идеального значения. Выражается в LSB.

Динамические характеристики:

· Время установления выходного напряжения TSET;

· Максимальная частота дискретизации F - частота, на которой ЦАП способен выдавать на выходе корректный результат. Частота дискретизации должна быть не меньше удвоенной максимальной частоты в спектре сигнала;

· Динамический диапазон, свободный от искажений SFDR. Отношение мощности полезного узкополосного сигнала к мощности наиболее существенной паразитной частотной составляющей. Обычно выражается в децибелах;

· Суммарные гармонические искажения THD. Выражаются в децибелах.

Компания Maxim использует классификацию, в которой в качестве ключевого критерия используется быстродействие:

· Высокоскоростные ЦАП с частотой дискретизации свыше 1МГц;

· Низкоскоростные (или прецизионные) ЦАП с частотой дискретизации до 1МГц.

В свою очередь прецизионные подразделяют на две группы в зависимости от разрядности:

· С малым разрешением- 4...10бит;

· С высоким разрешением- 12...16бит.

Исходя из данной классификации, рассмотрим эти три группы подробнее.

1. Значительные усилия компании Maxim были направлены на создание принципиально нового типа ЦАП - ЦАП с токовым выходом для управления DC/DC-преобразователями (семейство DS44xx, которое будет рассмотрено ниже).

2. Оптимальным решением для низкоскоростных ЦАП является применение последовательного входного интерфейса. В новых микросхемах параллельный интерфейс не применяется, хотя такие ИС остаются в номенклатуре компании Maxim.

3. Современные микросхемы данного типа используют единственный низковольтный источник питания - минимальное значение напряжения питания составляет 2,7 В (а у семейства MAX552x - 1,8 В).

4. Среди новых изделий отсутствуют одноканальные ЦАП. Новые ЦАП - это микросхемы с двумя или четырьмя каналами. Но при этом одноканальные микросхемы (36 типов) остаются в номенклатуре компании Maxim.

5. Источник опорного напряжения, в большинстве случаев - встроенный.

Отметим также, что среди новых ЦАП с потенциальным выходом присутствуют как микросхемы с малым потреблением энергии (MAX552x), так и достаточно быстродействующие (для своего класса) ЦАП - семействоMAX558x.

Основные тенденции развития этого направления:

1. Как и в случае ЦАП с малым разрешением, в новых микросхемах используется только последовательный интерфейс. Тем не менее в номенклатуре компании Maxim остается около 50 типов цифро-аналоговых преобразователей с параллельным интерфейсом (как с побайтовой, так и с пословной загрузкой данных).

2. Для управления несколькими микросхемами по одному каналу SPI используется последовательное включение по принципу дейзи-цепочки (как например, в семействе MAX5134...39, которое рассматривается ниже).

3. Значительные усилия направлены на создание многоканальных ЦАП. Основная часть 32-канальных ЦАП выпущена на протяжении последних пяти лет.

Отметим также принципиально новый ЦАП MAX5661 с токовым и потенциальным выходами, который предназначен для индустриальных приложений.

Высокоскоростные ЦАП

Номенклатура изделий компании Maxim в этом классе включает 43 микросхемы.

Отметим, что значительные усилия в последнее время были направлены на разработку и выпуск ЦАП гигагерцового диапазона. Все подобные микросхемы (MAX19692/93 и MAX5881) были проанонсированы в последние два года.

Микросхемы DS44xx компании Maxim - это недорогие, двух- или четырехканальные ЦАП с токовым выходом. Они представляют собой управляемые через I2C-шину 4-, 5- или 7-разрядные ЦАП, которые специально разработаны для задания установок и регулировки DC/DC-преобразователей. Регулировка осуществляется за счет использования свойств протекания тока в схеме ЦАП, которая выполнена таким образом, что ток в зависимости от заданного режима (сток или исток) может течь в канале ЦАП в обоих направлениях. Каждый выходной канал микросхемы обеспечивает управление преобразователем путем подачи тока непосредственно в цепь обратной связи преобразователя (или, наоборот, отбора тока прямо из цепи обратной связи). Такой способ управления позволяет оперативно перенастроить параметры существующих блоков питания при минимальном изменении их конструкции, делая тем самым микросхемы семейства DS44хх оптимальным решением для серверов, сетевых переключателей, плат обработки видеосигналов и других приложений с DC/DC-преобразователями.

При включении питания выходной ток в микросхемах DS44xx нулевой, это сделано с целью снижения требований к схеме запуска и для обеспечения возможности использования типовых резисторов в обратной связи. Программирование диапазона выходного тока каждого канала осуществляется при помощи внешнего резистора, что позволяет повысить функциональность конечного решения.

Семейство DS44хх включает в себя следующие микросхемы:

· DS4402 и DS4404- соответственно два и четыре канала пятиразрядного ЦАП (то есть по 31 градации втекающего и вытекающего тока), выходной ток в пределах от ±0,5 до ±2,0мА при точности не хуже ±5%. Два адресных входа шины I2C позволяют управлять через один канал несколькими (до четырех) микросхемами.

· DS4412- два канала четырехразрядного ЦАП, выходной ток в пределах от ±0,5 до ±2,0мА при точности не хуже ±6%. Адресные входы шины I2C отсутствуют. Наиболее дешевый вариант для самых экономичных решений.

· DS4422 и DS4424- соответственно два и четыре канала семиразрядного ЦАП, выходной ток в пределах от ±0,05 до ±0,2мА при точности не хуже ±6%. Два адресных входа шины I2C.

· DS4426- четыре канала семиразрядного ЦАП, выходной ток в пределах от ±0,05 до ±0,2мА при точности не хуже ±5%. Два адресных входа шины I2C. Дополнительно реализована функция слежения (Tracking), позволяющая повторять форму нарастания выходного напряжения ведущего источника питания (канал 0) на ведомых (каналы 1, 2 и 3).

· DS4432- два канала семиразрядного ЦАП, выходной ток в пределах от ±0,05 до ±0,2мА при точности не хуже ±5%. Адресные входы шины I2C отсутствуют. Вариант для экономичных решений.

Напряжение питания для всех микросхем семейства: 2,7...5,5 В.

На рис. 1 показана типовая схема включения, а на рис. 2 - упрощенная структура микросхем данного семейства (на примере DS4422/24).

ЦАП МАХ 5661 с токовым и потенциальным выходами

В системах промышленной автоматики существует большое количество устройств, использующих аналоговые каналы передачи данных. Учитывая, что в различных случаях могут использоваться как токовые, так и потенциальные интерфейсы, для упрощения схемы желательно иметь микросхему ЦАП, способную без дополнительных элементов обеспечивать оба типа выходных сигналов.

Именно такие возможности предоставляет микросхема 16-разрядного специализированного ЦАП МАХ 5661.Она способна формировать как токовые сигналы в диапазоне 0...20/4...20 мА, так и потенциальные (в том числе по четырехпроводной схеме с компенсацией сопротивления соединительных проводов) с амплитудой до ±10 В. Причем начальное смещение нуля не превышает 0,1%, а полная погрешность - не более 0,3% от полной шкалы. Передаточная характеристика ЦАП имеет гарантированную монотонность, что крайне важно для замкнутых регуляторов.

Микросхема использует внешний источник опорного напряжения 4,096 В. Это обусловлено тем, что при работе ЦАП температура кристалла может значительно изменяться. Это могло бы оказать существенное влияние на параметры встроенного источника опорного напряжения и, как следствие, значительно снизить точность системы в целом. При малой разрядности ЦАП это не имело бы большого значения, однако для 16-разрядных систем перенос источника опорного напряжения за пределы основного кристалла может значительно улучшить точностные характеристики.

Для связи с управляющим микроконтроллером используется высокоскоростной (до 10 МГц) последовательный интерфейс SPI (а также QSPI и Microwire) с возможностью последовательного включения нескольких микросхем с использованием схемы последовательного опроса (или дейзи-цепочки - Daisy Chaining). Микросхема имеет выход "Fault", который активизируется при коротком замыкании потенциального выхода или обрыве токовой петли. Информация об аварийном состоянии выходов доступна и по последовательному интерфейсу. Конфигурировать выходные каскады микросхемы можно программно или с помощью внешних выводов микросхемы, соединяя их с "землей" или с напряжением питания.

На рис. 3 показан пример типового применения ЦАП MAX5661.

ЦАП MAX5134...39 с малым энергопотреблением для устройств индустриального назначения

Недавно компания Maxim представила новое семейство счетверенных (MAX5134/35), сдвоенных (MAX5136/37) и одинарных (MAX5138/39) 16- и 12-разрядных ЦАП, совместимых между собой как по выводам, так и по алгоритму управления. Данные ЦАП обладают сочетанием более высокой точности, интеграции и меньших габаритов по сравнению с ранее выпущенными изделиями. Управление микросхемой осуществляется через высокоскоростной (до 30 МГц) последовательный интерфейс, совместимый с SPI, QSPI и Microwire с возможностью последовательного подключения нескольких микросхем по дейзи-цепочке.

Энергосбережение становится в настоящее время актуальным требованием не только для устройств с батарейным питанием, но и для систем промышленного назначения. Четырканальные 12- или 16-разрядные ЦАП в среднем потребляют ток 2,5 мкА, а в дежурном режиме - 0,3 мкА. Микросхемы MAX5134...39 обеспечивают высокую линейность преобразования - не хуже ±8 LSB INL для 16-разрядных и ±1 LSB INL для 12-разрядных ЦАП. Микросхемы MAX5134...37 реализованы в сверхкомпактных 24-выводных корпусах TQFN размером 4х 4 мм, а также в 16-выводных корпусах TSSOP. Одноканальные ЦАП MAX5138/39 реализованы в миниатюрных, 16-выводных корпусах TQFN размером 3х 3 мм.

Данные ЦАП являются оптимальным решением для систем управления производственным оборудованием, например, программируемыми логическими контроллерами, системами управления приводами и автоматизированные системы контроля. Другие применения этих ЦАП: портативные измерительные приборы, контрольно-измерительная и тестовая аппаратура, системы сбора и обработки данных, программируемые источники напряжения и тока.

На рис.4 представлена структурная схема двухканальных ЦАП MAX5136/37.

Быстродействующие широкополосные ЦАП с низким энергопотреблением MAX19692/93

Микросхема MAX19692 - 12-разрядный ЦАП с быстродействием 2,3 Гбит/с, который предназначен главным образом для реализации прямого синтеза высокочастотных и широкополосных сигналов в различных зонах Найквиста. MAX19692 обеспечивает возможность синтезировать сигналы с шириной спектра до 1 ГГц в частотном диапазоне от постоянного тока и до 2 ГГц. Микросхема имеет динамические характеристики на уровне лучших в отрасли: динамический диапазон без искажений (SFDR = 68 дБ при выходной частоте 1200 МГц и работе на третьей зоне Найквиста). В ней предусмотрены низковольтные источники питания, четырехкратно мультиплексированный цифровой LVDS-вход и 12-разрядное ядро преобразования. Частотная характеристика микросхемы может быть сконфигурирована для оптимизации синтеза сигнала на любой из трех первых зон Найквиста. Во второй и третьей зонах Найквиста микросхема ЦАП имеет более высокое отношение сигнал-шум и лучшую равномерность усиления по сравнению с обычными ЦАП, предназначенными для работы в первой зоне. При частоте преобразования 1,5 ГГц микросхема потребляет всего 950 мВт.

Выпущенный несколько позже 12-разрядный MAX19693 имеет быстродействие 4,0 Гбит/с и является оптимальным решением для прямой цифровой генерации высокочастотных широкополосных сигналов в первой зоне Найквиста. ЦАП обеспечивает значение SFDR более чем 70 дБ при частотах до 800 МГц и 62 дБ при 1500 МГц.

Микросхемы могут быть успешно применены в следующих приложениях: высококачественное широкополосное коммуникационное оборудование, радары, цифровые генераторы сигналов, высокочастотное тестовое оборудование.

Заключение

В нашей работе мы собрали и проанализировали информацию о цифро-аналоговых преобразователях. С полной уверенностью можем утверждать, что цифро-аналоговые преобразователи, выпущенные компанией Maxim в течение последних лет, подтверждают правомерность ее нахождения в лидирующей группе производителей на данном сегменте рынка.

Потребителю предложен ряд принципиально новых изделий (семейство DS44xx, микросхемы MAX5661 и MAX19692/92), которые не имеют прототипов в линейке компании.

Чрезвычайно широкая номенклатура изделий включает как самые современные изделия, так и традиционные модели, подтвердившие свою жизнеспособность на протяжении длительного времени. Широкий диапазон различных параметров (разрядность, число каналов, тип выхода, используемые интерфейсы, быстродействие) делают продукцию компании Maxim востребованной во многих приложениях самого различного назначения.

Список литературы

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых устройств. - М.: Додека-XXI, 2005.

2. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров. Под редакцией Марцинкявючеса. М.: Радио и связь. 1988 -224с.©

3. http://www.maximintegrated.com

4. http://www.audiomania.ru/dac.

5. http://www.chipdip.ru.

6. http://www.russianelectronics.ru.

Размещено на Allbest.ru