14.10 Цифроаналоговые и аналого-цифровые (цап и ацп) преобразователи

Информация первичных преобразователей (сигналы датчиков) в большинстве практических случаев представляются в аналоговой форме, в виде унифицированных электрических сигналов. Большая часть исполнительных устройств (электродвигатели регулирующих клапанов, электромагнитные клапаны), которые предназначены для управления технологическими процессами, также реагируют на определенные унифицированные электрические сигналы. ЭВМ же применяют и выдают информацию в цифровом коде. Для преобразования информации из импульсной формы в аналоговую форму применяют цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), а для обратного преобразования используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

ЦАП и АЦП характеризуются погрешностью преобразования, быстродействием и динамическим диапазоном. Погрешность состоит из методической и инструментальной составляющих. Методическая погрешность определяется абсолютной погрешностью квантования аналоговой величины по уровню, а инструментальная погрешность – нестабильностью характеристик элементов схемы преобразователя.

Быстродействие для ЦАП определяется интервалом времени от момента поступления входного кода до момента установления выходного сигнала. Для АЦП быстродействие – это интервал от момента пуска преобразователя до момента получения кода на выходе.

Динамический диапазон – допустимый диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного напряжения для ЦАП.

Принцип действия простейшего ЦАП поясняет схема приведенная ниже. Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключенных ко входу ОУ ключами, которые управляются двоичным кодом, например, параллельным кодом регистра или счётчика. Коэффициенты передачи по входам 2⁰ , 2¹, 2², 2³ равны соответственно:

^;

где - это разряды числа, принимающие значения «0» или «1» в зависимости от положения соответствующих ключей.

Выходное напряжение ЦАП определяется суммой:

Таким образом, четырехфазный двоичный код преобразуется в уровень u_вых в диапазоне (0 - 15)∙ ∆u, где ∆u – шаг квантования. Схема и условное изображение ЦАП имеют вид:

а)

Рисунок 14.59 - Схема (а) и условное изображение (б) ЦАП

Эта схема имеет два недостатка: 1) требование стабильности резисторов; 2) источник тока должен быть с малым внутренним сопротивлением. От указанных недостатков свободны схемы, использующие трёхпозиционные ключи, которые подключаются либо к суммирующему входу ОУ, либо к нулевой точке.

Рисунок 14.60 - Схема ЦАП с матрицей Рисунок 14.61 - Схема ЦАП с МОП-

резисторов R-2R и трёхпозиционными ключами

ключами

Принцип действия АЦП часто используемого последовательного типа поясняет следующая схема:

Рисунок 14.62 - Функциональная схема АЦП последовательного типа

Цифровой автомат (ЦА) вырабатывает последовательность чисел в двоичном коде. Числа поступают на вход ЦАП. На его выходе напряжение изменяется по закону, определяемому входными числами. При равенстве U_вх и U_ЦАП компаратор выдает сигнал, по которому останавливается работа ЦА, а на его выходе фиксируется двоичный код, соответствующий U_вх.

Интегральные АЦП и ЦАП широко используются для связи микропроцессоров с внешними устройствами.

219