Основные понятия об аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях

Аналого-цифровое преобразование заключается в преобразовании информации, содержащейся в аналоговом сигнале, в цифровой код. Цифро-аналоговое преобразование призвано выполнять обратную задачу, т.е. преобразовывать число, представленное в виде цифрового кода, в эквивалентный аналоговый сигнал.

АЦП, как правило, устанавливаются в цепях обратных связей цифровых систем управления для преобразования аналоговых сигналов обратных связей в коды, воспринимаемые цифровой частью системы. Т.о. АЦП выполняют несколько функций, таких как: временная дискретизация, квантование по уровню, кодирование. Обобщенная структурная схема АЦП представлена на рис.3.1.

 

 

На вход АЦП подается сигнал в виде тока или напряжения, который в процессе преобразования квантуется по уровню. Идеальная статическая характеристика 3-разрядного АЦП приведена на рис.3.2.  

 Входные сигналы могут принимать любые значения в диапазоне от –U_max до U_max, а выходные соответствуют восьми (2³) дискретным уровням. Величина Величина входного напряжения, при которой происходит переход от одного зачения выходного кода АЦП к другому соседнему значению, называется напряжением межкодового перехода. Разность между двумя смежными значениями межкодовых переходов называется шагом квантования или единицей младшего значащего разряда (МЗР). Начальной точкой характеристики преобразования называется точка, определяемая значением входного сигнала, определяемого как

(3.1),

где U_0,1 – напряжение первого межкодового перехода, U_LSB – шаг квантования (LSB – Least Significant Bit). Конечная точка характеристики преобразования соответствует входному напряжению, определяемому соотношением

(3.2).

Область значений входного напряжения АЦП, ограниченная значениями U_0,1 и U_N-1,N называется диапазоном входного напряжения.

(3.3).

Диапазон входного напряжения и величину младшего разряда N-разрядного АЦП и ЦАП связывает соотношение

(3.4).

Напряжение

(3.5)

называется напряжением полной шкалы (FSR – Full Scale Range). Как правило, этот параметр определяется уровнем выходного сигнала источника опорного напряжения, подключенного к АЦП. Величина шага квантования или единицы младшего разряда т.о. равна

(3.6),

а величина единицы старшего значащего разряда

(3.7).

Как видно из рис.3.2, в процессе преобразования возникает ошибка, не превышающая по величине половины величины младшего разряда U_LSB/2.

Существуют различные методы аналого-цифрового преобразования, различающиеся между собой по точности и быстродействию. В большинстве случаев эти характеристики антогонистичны друг другу. В настоящее время большое распространение получили такие типы преобразователей как АЦП последовательных приближений (поразрядного уравновешивания), интегрирующие АЦП, параллельные (Flash) АЦП, «сигма-дельта» АЦП и др.

Цифро-аналоговые преобразователи устанавливаются обычно на выходе микропроцессорной системы для преобразования ее выходных кодов в аналоговый сигнал, подаваемый на непрерывный объект регулирования. Идеальная статическая характеристика 3-разрядного ЦАП представлена на рис.3.13.

 

 

 Начальная точка характеристики определяется как точка, соответствующая первому (нулевому) входному коду U_00…0. Конечная точка характеристики определяется как точка, соответствующая последнему входному коду U_11…1. Определения диапазона выходного напряжения, единицы младшего разряда квантования, ошибки смещения нуля, ошибки коэффициента преобразования аналогичны соответствующим характеристикам АЦП.

С точки зрения структурной организации у ЦАП наблюдается гораздо меньшее разнообразие вариантов построения преобразователя. Основной структурой ЦАП является т.н. “цепная R-2R схема” (рис.3.14).

    

 Легко показать, что входной ток схемы равен I_in=U_REF/R, а токи последовательных звеньев цепи соответственно I_in/2, I_in/4, I_in/8 и т.д. Для преобразования входного цифрового кода в выходной ток достаточно собрать все токи плечей, соответствующих единицам во входном коде, в выходной точке преобразователя (рис.3.15).

 

 Если к выходной точке преобразователя подключить операционный усилитель, то выходное напряжение можно определить как

(3.22),

где K – входной цифровой код, N – разрядность ЦАП.

Все существующие ЦАП делятся на две больших группы: ЦАП с выходом по току и ЦАП с выходом по напряжению. Различие между ними заключается в отсутствии или наличии у микросхемы ЦАП оконечного каскада на операционном усилителе. ЦАП с выходом по напряжению являются более завершенными устройствами и требуют меньше дополнительных элементов для своей работы. Однако, оконечный каскад наряду с параметрами лесничной схемы определяет динамические и точностные параметры ЦАП. Выполнить точный быстродействующий операционный усилитель на одном кристалле с ЦАП часто бывает затруднительно. Поэтому большинство быстродействующих ЦАП имеют выход по току.

ЛЕКЦИЯ 26

План лекции:

18. Микропроцессорные средства.

18.1. Понятия о микропроцессоре и микропроцессорных комплектах.

18.2. Структура микропроцессорной системы.

18.3 Назначение и взаимосвязь устройств микропроцессорной системы.

Достигнутые успехи в области микроэлектроники привели к появлению современной элементной базы, позволяющей создавать специализированные управляющие системы и контроллеры. Для успешной работы специалистов с современной вычислительной техникой требуется знание принципов функционирования и построения узлов микропроцессорных систем. Широкое применение средств вычислительной техники в современном производстве, исследовательских лабораториях, а также учебном процессе требует от специалиста все более глубоких знаний в области архитектуры средств вычислительной техники. Получение подобных знаний невозможно без изучения наиболее популярных микропроцессорных комплексов. На основе полученных знаний об устройстве и алгоритмах функционирования микропроцессоров, микроконтроллеров и микросхем, входящих в состав микропроцессорных комплексов возможна разработка собственных систем, оптимизированных для конкретного применения.