Параметры ЦАП

В настоящее время ассортимент выпускаемых микросхем ЦАП довольно широк. Поскольку все они обладают различными характеристиками, необходимо понимать физический смысл параметров ЦАП, приводимых в технической документации и справочниках.

1. Статические параметры ЦАП. Допустим, на входы ЦАП подается двоичный код, значения которого меняются от минимального до максимального с шагом, равным 1. Этот входной код преобразуется в дискретные значения выходной аналоговой величины. Совокупностью значений выходного сигнала ЦАП UВЫХ в зависимости от входного кода D называется статической характеристикой преобразования.

ЦАП прямого цифрового синтеза AD9850

В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1на рисунке ниже, которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Точность определяется отклонением действительной выходной аналоговой величины от ее теоретического значения. На точность ЦАП влияют значения основных параметров и температурные дрейфы: эталонного источника, суммирующего усилителя, резистивной схемы и аналоговых ключей. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

Статическая характеристика преобразования ЦАП 

2. Разрешающая способность – приращение U_ВЫХ  при преобразовании смежных значений D_i, т.е. отличающихся на единицу МЗР. Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования h= U_ПШ / 2N-1, где U_ПШ – номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы), N – разрядность ЦАП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

3. Погрешность полной шкалы – относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля. δ_ПШ = (ε_ПШ / U_ПШ) 100%. Погрешность полной шкалы является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом единиц МЗР

Линейная погрешность шкалы на единицу МЗР

4. Погрешность смещения нуля – значение U_ВЫХ, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы: δ_СМ = (ε_СМ / U_ПШ) 100%.

Передаточная характеристика ЦАП со сдвигом нуля на 0.5. МЗР 

5. Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования U_ВЫХ (D) от оптимальной. Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. 

Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в единицах МЗР. Для характеристики δ_Н = (ε_Н / U_ПШ) 100%. Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования U_ВЫХ (D) от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Обычно определяется в относительных единицах или в ЕМР.

δ_ДН = ((ε_i +(ε_i+1) / U_ПШ) 100%.

Передаточная характеристика ЦАП с нелинейностью ±0.5.МЗР

6. Монотонность характеристики преобразования – возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП U_ВЫХ (D) при возрастании (уменьшении) входного кода D. Если дифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования h/U_ПШ, то характеристика преобразователя немонотонна.

Немонотонная передаточная характеристика ЦАП (нелинейность должна быть больше ± 0.5 МЗР) 

7. Температурная нестабильность ЦАП характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

8. Диапазон изменения напряжения (U) или тока (I) –  полная шкала изменения напряжения от 0 до U_{ВЫХ МАКС} или тока от 0 до I_{ВЫХ МАКС}.

9. Полное выходное сопротивление ЦАП Z_ВЫХ – определяется со стороны выходных зажимов. Оно зависит в основном от выходного сопротивления суммирующего усилителя и имеет порядок сотен Ом.

Погрешности полной шкалы и смещения нуля могут быть устранены калибровкой (подстройкой). Погрешности нелинейности простыми средствами устранить нельзя.

Динамические параметры ЦАП. Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины "все нули" до "все единицы".

Переходная характеристика ЦАП 

1. Время установления, t_УСТ – интервал времени от момента изменения входного кода  до момента, когда в последний раз выполняется равенство

|U_ВЫХ – U_ПШ| = d / 2. 

2. Скорость нарастания – максимальная скорость изменения U_ВЫХ (t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения ΔU_ВЫХ  ко времени Δ, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ.

3. Частота обновления – максимальная частота, с которой может происходить смена содержимого входных регистров ЦАП.

Применение ЦАП в различной радиоэлектронной аппаратуре, прежде всего, непосредственно связано со скоростью преобразования, значение которой определяется временем установления. Требуемые значения скорости преобразования изменяются в диапазоне от нескольких герц до десятков мегагерц в зависимости от области применения ЦАП. В связи с этим применяют время установления как классификационный параметр для разделения ЦАП на группы среднего, высокого и сверхвысокого быстродействия, характеризуемые соответственно значениями времени установления в пределах 20…1; 1…0,1; 0,1…0,01 мкс.