Построение ЦАП на логических элементах и микроконтроллерах

Сравнение матрицы двоично-взвешенных сопротивлений и матрицы R-2R. Что подключить к выходам элемента стандартной логики или микроконтроллеру?

Поводом для написания этой страницы явилась публикация в интернет-издании «Electronic Design News» под названием "Двухквадрантный умножающий ЦАП на основе КМОП буфера". Но а если уж быть скрупулезным – то не столько сама пуб­ликация, сколько комментарии к ней. Но для начала приведём основные выдержки из статьи:

Двухквадрантный умножающий ЦАП на основе КМОП буфера

Ajoy RamanEDN, September 30, 2013

Используя широкий диапазон рабочих напряжений питания восьмиканального КМОП-буфера 74HC244, на Рис.1 представлена схема простого 8-разрядного цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), построенного на основе данной ИМС.


Сформированный ранее 8-битный код подаётся через резисторы R1...R8 на восемь входов КМОП-буфера. Резисторы предназначены для минимизации влияния переходных процессов в формирователе кода на выходные напряжения АЦП.
Выходы буфера объединяются с помощью резисторной матрицы, образованной резисторами R9-R23 с соотношением номиналов 1:2:4:8...128.
Опорным напряжением для ЦАП является напряжение питания U1, которое по документации на ИМС может составлять 2...6 В.
На выходе резистивной матрицы и, соответственно, на входе 3 микросхемы U2 формируется 8-битный однополярный сигнал с максимальным уровнем Vref=VCC.
Опциональный конденсатор C1 образует фильтр нижних частот для этого выходного сигнала, который далее буферизуется, усиливается в два раза, а также смещается на Vref посредством ОУ LF357, обеспечивая на выходе ЦАП двухполярный уровень.
Измеренное время установления этого ЦАП составило 200 нс при C1 = 200 пФ.


Далее (после статьи) приводятся комментарии читателей, общий смысл которых заключается в следующем: либо следует приобретать готовый ЦАП, либо, уж если и делать что-то подобное, то исключительно с использованием матрицы R-2R.

А почему, собственно? – подумал я. – Чем приведённый в статье ЦАП хуже схемы с матрицей R-2R, которую традиционно используют с микроконтроллерами (либо элементами стандартной логики) при желании получить простой и дешёвый цифро-аналоговый преобразователь. Ну, помимо того, что ассортимент номиналов сопротивлений у R-2R, конечно, меньше.

Ладно, задача поставлена, так что флаг нам в руки – вонзаемся в проект!

Рис.2 Схемы счетчиков CD4520 с резистивными матрицами ЦАП на выходе

На рисунке Рис.2 слева изображена схема ЦАП с матрицей двоично-взвешенных сопротивлений (как в приведённой статье), справа – с матрицей R-2R. Для удобства количество разрядов уменьшено до 4 (16 уровней квантования), что на результаты сравнительных анализов никоим образом не повлияет.
Микросхемы DD1 и DD2 – это 4-разрядные счётчики стандартной логики CD4520 (К1561ИЕ10) с допустимым диапазоном питающих напряжений 3...18 вольт.
Теперь подадим на входы счётчиков прямоугольные импульсы частотой 100 кГц и посмотрим диаграммы на выходах АЦП:



Рис.2 Диаграммы АЦП с матрицей двоично-взвешенных сопротивлений (красный цвет) и матрицей R-2R (голубой цвет)

Сразу бросается в глаза – максимальное напряжение на выходе матрицы двоично-взвешенных сопротивлений равно Еп микросхемы, т. е. +10 В, а на выходе R-2R немного не дотягивает. Ничего странного – сопротивление, через которое младший разряд R-2R замыкается на землю не даёт выходному напряжению дотянуться до Еп. Это не сказать, что сильно страшно, но счёт 1:0 в пользу левого (в хорошем смысле этого слова) варианта.

Теперь что касается выходного сопротивления матриц. В случае с R-2R оно равно R, то есть 15 кОм. В матрицах двоично-взвешенных сопротивлений оно принимает значение, эквивалентное параллельному соединению всех сопротивлений, что при приведённых на схеме номиналах равно 5.3 кОм. А это говорит о том, что входная ёмкость какого-либо элемента, стоящего после ЦАП, в большей степени ограничит быстродействие R-2R. Хочешь не хочешь, но счёт 2:0 в пользу красных.

При прочих идеальных условиях нелинейности преобразования обеих матриц одинаковы и зависят от точности подбора резисторов. Однако на практике выходное сопротивление ключей, управляющих матрицей, не равно 0 (к примеру, у CD4520 оно составляет около 200 Ом), что приводит к появлению дополнительных погрешностей. И если в R-2R для устранения данного эффекта надо "подогнать" номиналы доброй половины резисторов, то в матрице двоично-взвешенных сопротивлений достаточно подкорректировать всего два резистора в старших разрядах, т. к. номиналы всех остальных значительно превышают сопротивление ключей.

Ну что, 3:0? Да нет, скорее 3:1 – всё-таки ограниченный ассортимент номиналов резисторов в R-2R для кого-то может стать решающим фактором.