Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

ЦАП, АЦП – преобразователи, которые играют важную роль, как в системе автоматизации производственных процессов, так и при управлении этими процессами.

В частности в тех случаях, когда в качестве первичного датчика используется датчик с аналоговым выходом, то для приема, обработки и принятия решения для управления тех или иных процессов необходимо на вход компаратора или же процессора подать цифровой сигнал. Следовательно, необходимо иметь специальное устройство, которое преобразует аналоговый сигнал в цифровой код. Это особенно важно тогда, когда первичный датчик находится на достаточно большом расстоянии от приемника, т. к. при этом помехоустойчивость выше.

При преобразовании входного А/Ц-сигнала каждому уровню входного сигнала соответствует совершено конкретный двоичный код.

Рис. Преобразование входного аналогового в цифровой сигнал (АЦП)

Основные характеристики АЦП:

• чувствительность, единицы - МВ;

• быстродействие – до нескольких нс;

• разрядность.

ЦАП – функциональный узел, однозначно преобразующий кодовые комбинации цифрового сигнала в значения аналогового сигнала. Основой для нахождения однозначного соответствия может служить выражение:

U_вых=E₀(X₁*2^-1+X₂*2^-2+...+X_n*2^-n),

где U_вых – напряжение на входе ЦАП;

Е₀ – опорное напряжение;

X_i – цифровой код, принимающий значение 0 или 1.

При определенном Е₀ каждому X_i на выходе устройства соответствует напряжение U_{вых i}.

В ЦАП используют три основных двоичных кода:

• прямой;

• смещенный;

• дополнительный.

На рисунке ниже приведены графики соответствия цифровых кодов и аналоговых напряжений.

Рис. Графики соответствия цифровых кодов и аналоговых напряжений

Наиболее просто определяется соответствие цифровых и аналоговых величин при прямом коде. Этот код удобен при преобразовании сигналов следующих систем, так как при переходе через нуль не меняются старшие разряды кода, что позволяет реализовать линейный переход от малых положительных к малым отрицательным выходным U_вых.

Для преобразования как положительных, так и отрицательных кодов используют знаковый разряд, который управляет переключением выходного напряжения ЦАП.

Для исключения коммутирующих элементов из схемы ЦАП используют смещенный код, являющийся наиболее простым для реализации в схеме преобразователя.

При использовании дополнительного кода положительные числа преобразуются так же, как для прямого кода, а отрицательные – двоичным дополнением соответствующего положительного числа (инверсия всех разрядов с последующим добавлением единицы в младший разряд).

Таким образом, прямой код дает возможность использовать в два раза больше разрешение по сравнению со смешенным и дополнительным кодами.

Базовая схема ЦАП, реализующая выражение:

U_вых=E₀(X₁*2^-1+X₂*2^-2+...+X_n*2ⁿ),

показана на рисунке ниже.

Рис. Базовая схема ЦАП

КЛ – ключ, содержит источник опорного напряжения Е₀, матрицы двоично-весовых резисторов, набор ключей и дифференциальный операционный усилитель.

Основной недостаток этой схемы: необходимость применения резисторов с большим диапазоном номиналов, например, 1R – 1024R, для 10-разрядного ЦАП.

Практическая реализация многоразрядных схем ЦАП осуществляется на основе ИС.

Одним из важнейших требований АЦП ЦАП является возможность их сопряжения с микропроцессором по трем линиям – адреса, данных и управления, которые необходимы для выбора начала преобразования, инициализации и управления процессом преобразования.

Кроме того, очень важна совместимость их логических уровней.

АЦП решают задачу поиска однозначного соответствия аналоговому сигналу цифрового кода. На вход АЦП поступает аналоговый сигнал и после определенного конечного времени преобразования на его выходе появляется цифровой код.

В настоящее время разработано много различных методов АЦП, например, методы последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту, параллельного преобразования.

Схема АЦП последовательного счета приведена на рисунке ниже. Из графика видно, что время преобразования этого типа переменное и зависит от входного аналогового сигнала. При этом такт работы всего устройства постоянен и равен Т_р=Т₀*2^п, где Т₀ – период генератора опорных сигналов, n – разрядность счетчика и АЦП.

С момента поступления сигнала "Старт" на выходе АЦП с частотой 1/Т_р изменяются цифровые коды результата преобразования.

АЦП имеет следующую маркировку – ПВ, а ЦАП – ПА.

Зарубежными аналогами являются:

ЦАП – АD562, Н1562, АD7520 и т. д.

АЦП – АD7570, ТDС1007 и т. д.

Рис. Структура АЦП последовательного счета и временная диаграмма его работы.

В последние годы фирма Analog Devices, являющаяся признанным лидером в области преобразовательных ИС и модулей разработала ряд сверхбыстродействующих ЦАП/АЦП. При этом АЦП имеет как токовый, так и вход напряжения.

Функционально АЦП состоит из:

• интегратора;

• компаратора;

• одновибратора.

Рис. Функциональная схема АЦП

94