ЦАП: R-2R, ШИМ и аналоговый выход

Цифро-аналоговый преобразователь связывает двоичное число с аналоговым напряжением или током. Идеальный N-битный ЦАП имеет 2^N дискретных уровней, а величина одного младшего разряда определяется диапазоном опорного сигнала.

R-2R лестница формирует взвешенную сумму с использованием только двух номиналов сопротивлений. PWM сам по себе является цифровым импульсным сигналом, но его среднее значение после низкочастотной фильтрации может использоваться как недорогой аналоговый выход.

• Разрядность определяет количество кодов и идеальный шаг квантования.
• Опорное напряжение Vref задаёт масштаб аналогового выхода и должно быть достаточно стабильным и малошумящим.
• R-2R обеспечивает бинарные веса без набора резисторов R,2R,4R,8R с огромным диапазоном номиналов.
• В реальном ЦАП важны INL, DNL, offset, gain error, settling time и выходная нагрузка.
• PWM→analog требует фильтра: частота PWM должна быть значительно выше полезной полосы сигнала.

Для униполярного идеального ЦАП код 0 соответствует нижнему уровню, а максимальный код 2^N−1 приближается к full-scale, но конкретная передаточная функция зависит от архитектуры. Ошибочно автоматически считать максимальный код точно равным Vref без чтения техническое описание.

В PWM среднее напряжение идеального прямоугольника 0…VDD равно примерно D·VDD. RC-фильтр уменьшает несущую PWM, но создаёт задержку; выбор частоты и постоянной времени является компромиссом между ripple и быстродействием.

Сравните настоящий ЦАП и PWM-выход на осциллографе и мультиметре: одинаковое среднее напряжение не означает одинаковый спектр.

1. Рассчитайте LSB для 8- и 12-битного диапазона 0…3,3 В.
2. Подайте несколько кодов на учебный ЦАП и измерьте выход.
3. Постройте таблицу code→voltage и оцените отклонение от идеала.
4. Сформируйте PWM с 25/50/75% duty и измерьте среднее.
5. Добавьте RC-фильтр и сравните ripple и время установления при двух значениях RC.

• Считать максимальный цифровой код обязательно равным Vref.
• Сравнивать ЦАП только по числу бит без INL/DNL и settling time.
• Использовать PWM как «чистое постоянное напряжение» без фильтра для чувствительной аналоговой цепи.
• Игнорировать шум и точность опорного напряжения.

Ступенчатый или нелинейный выход проверяют по reference, питанию, коду и нагрузке. В PWM-выходе высокочастотная пульсация является ожидаемой составляющей, если фильтр недостаточен.

ЦАП преобразует код в физическую величину с конечной точностью; разрядность, reference и аналоговая выходная цепь одинаково важны.