8 Лекция
Цель: необходимость преобразования аналогового сигнала в последовательность двоичных кодов, обратное преобразование последовательности двоичных кодов в аналоговый сигнал, преобразование напряжения в частоту и обратное преобразование частоты в напряжение. Содержание: простейший аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) и частоты в напряжение (ПЧН).
8.1 Аналого-цифровые преобразователи
Все сигналы: звуковые, видео, сигналы первичных преобразователей разнообразных физических величин в электричесое напряжение по своей природе непрерывные. В тоже время для компьютерной обработки информацию необходимо пепевести в двоично-кодированный вид, то есть аналоговый сигнал нужно преобразовать в последовательность двоичных чисел. Обработка и передача цифровой информации имеет преимущества по сравнению с обработкой информации, заданной в непрерывном виде. Цифровые сигналы в меньшей степени подвержены искажениям в процессе передачи и хранения.
Аналого-цифровое преобразование начинается с дискретизации сигналов по времени. Под дискретизацией понимают переход от непрерывного сигнала к дискретному, пример дискретного сигнала – последовательность коротких импульсов с изменяющейся амплитудой. Амплитуда импульсов выступает в качестве информативного параметра. Вторым этапом АЦП является дискретизация (квантование) импульсов по уровню. При выборе частоты дискретизации по времени обычно пользуются теоремой Котельникова, согласно которой всякий непрерывный сигнал определяется своими дискретными значениями в моменты отсчёта, отстоящие друг от друга на интервалы времени Δ t = 1/(2fmax), где fmax - максимальная частота в спектре сигнала.
На рис. 34,а показана блок-схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП), в которой используются знакомые нам схемы: мультивибратор, одновибратор, интегратор, компаратор. Наряду с ними в АЦП использованы также цифровые устройства: счётчик, регистр, логическая схема И, обозначенная символом &.
Частоту дискретизации задаёт мультивибратор (см. временные диаграммы на рис. 34,б), фронтом импульса мультивибратора запускается одновибратор, выдающий импульсы стандартной длительности. Импульсы одновибратора поступают на вход интегратора, который в ответ выдаёт линейно-растущее напряжение. Задним фронтом (срезом) импульса одновибратора включается электронный ключ (на блок-схеме он не показан), который закорачивает конденсатор интегратора, – производится сброс и выходное напряжение интегратора спадает до нуля. С приходом следующего импульса одновибратора начинается новый цикл работы интегратора.
Линейно-растущее напряжение интегратора подаётся на один из входов компаратора, на другой вход подаётся входной аналоговый сигнал. На управляющий вход компаратора от одновибратора подаётся разрешающий импульс. В некоторый момент, входной сигнал становится равным линейно-растущему напряжению, но как только входное напряжение начнёт превышать линейно-растущее, тут же компаратор срабатывает и на его выходе устанавливается нуль.
а) б)
Рисунок 34 – Блок-схема АЦП – а), временные диаграммы – б)
Линейно-растущее напряжение интегратора подаётся на один из входов компаратора, на другой вход подаётся входной аналоговый сигнал. На управляющий вход компаратора от одновибратора подаётся разрешающий импульс. В некоторый момент, входной сигнал становится равным линейно-растущему напряжению, но как только входное напряжение начнёт превышать линейно-растущее, тут же компаратор срабатывает и на его выходе устанавливается нуль.
Выходное напряжение компаратора поступает на один из входов логического элемента И, а на другой его вход подаются непрерывно идущие импульсы тактового генератора. Тактовым генератором может служить генератор импульсов любого типа, например мультивибратор. Имульсы тактового генератора проходят на выход логического элемента И, только когда на выходе компаратора присутствует высокий уровень, а длительность присутствия высокого уровня зависит от значения входного сигнала.
Таким образом, число поступающих тактовых импульсов на счётчик определяется значением входного сигнала, это значение будет представлено в виде двоичного кода (в нашем случае восьмиразрядного), насчитанного счётчиком к моменту сброса компаратора в нуль. Задним фронтом импульса одновибратора код с счётчика переписывается (защёлкивается) в регистр, а затем счётчик сбрасывается в нуль, чтобы подготовить его к следующему циклу преобразования.
Рассмотренный нами простейший АЦП имеет большую погрешность, так как начало и конец преобразования разнесены во времени, поэтому такие АЦП можно использовать только в сравнительно несложных системах.
АЦП широко применяются в различных областях, являясь неотемлимой составной частью цифровых измерительных приборов, систем и устройств обработки и отображения информации, автоматических систем контроля и управления, устройств ввола – вывода информации ЭВМ. АЦП изготовляются в интегральном исполнении, разнообразие их обширно по числу разрядов, быстродействию, точности.
8.2 Цифро-аналоговые преобразователи
При построении устройств, связыващиих ЭВМ с объектами, использующими информацию в непрерывной форме, требуется преобразование информации из цифровой формы в аналоговую. Устройство, осуществлющее преобразование информации в виде двоичных кодов в эквивалентные им значения непрерывного сигнала, называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП).
Cуществуют два широко распространённых способа цифро-аналогового преобразования с использованием: а) резистивной матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями; б) матрицы с двумя номиналами сопротивлений, которую обычно называют матрицей R – 2R.
Рассмотрим ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 35). Структурная схема ЦАП состоит из следующих компонентов: n штук электронных ключей, по одному на каждый разряд, управляемых преобразуемым двоичным кодом N; матрицы двоично-взвешенных резисторов; источника опорного напряжения UОП; выходного операционного усилителя. С помощью ОУ суммируются токи, протекающие через двоично-взвешенные сопротивления, и преобразуются в выходное напряжение UВЫХ, пропорциональное цифровому коду. По сути дела ОУ работает как преобразователь тока в напряжение (см лекцию 2).
Рисунок 35 – Структурная схема ЦАП
Преобразуемый двоичный n–разрядный код с регистра, который является внешним устройством по отношению к ЦАП, подаётся на n входов: a0, a1, a2 ... an-1. Вход младшего разряда – a0, вход старшего разряда – an-1. Для примера на схеме показаны логические сигналы «0» и «1» на входах ЦАП. Уровень лог. «0» в стандарте ТТЛ лежит в пределях от 0 до 0,5 В, и этого напряжения недостаточно для включения электронных ключей. Уровень лог. «1» находится в пределах 2,5...5 В, поэтому ключи Кл0 и Кл2 включены и через них текут токи от источника опорного напряжения и складываются на инверсном входе ОУ. Номиналы сопротивлений в младшем и старшем разрядах отличаются в 2n-1 раз, а между соседними разрядами отличаются в 2 раза. В таком же соотношении различаются токи, протекающие через ключи к инверсному входу ОУ, наибольший ток даёт старший разряд, а наименьший – младший. Суммарный ток определяется входным кодом, этот ток протекает через сопротивление обратной связи ROC, создавая на нём падение напряжения, которое и является выходным напряжением ЦАП (с обратным знаком).
Интегральные микросхемы ЦАП также, как и АЦП отличаются широким многообразием по разрядности, быстродействию, точности.
8.3 Преобразователи напряжение-частота
Преобразователи напряжения в частоту (ПНЧ) широко применяются в схемотехнике, когда возникает необходимость перевода аналогового сигнала в последовательность импульсов с изменяемой частотой повторения, т.е. частота импульсов становится информативным параметром. Не следует путать ПНЧ с частотным модулятором, – при частотной модуляции частота несущего колебания изменяется в небольших пределах (так называемая девиация) относительно центральной частоты.
ПНЧ может быть построен с использованием известных нам схем: таймера, интегратора, электронных ключей, стабилизаторов тока. Упрощённая структурная схема ПНЧ показана на рис. 36,а.
Рисунок 36 – Структурная схема ПНЧ
Преобразуемый входной сигнал подаётся на вход интегратора на ОУ, выход интегратора подключён к входам установки и сброса таймера. Во время выключенного состояния ключа Кл на инверсный вход ОУ приходит входной сигнал через резисторы R3 и R4, происходит заряд конденсатора С и на выходе интегратора формируется практически линейное падающее напряжение. Если же ключ Кл включён, то входной сигнал приходит на прямой вход ОУ через делитель напряжения R1 и R2, конденсатор С разряжается и на выходе ОУ набдюдается тоже почти линейное нарастающее напряжение.
Работой ключа управляет таймер, который переключается из одного состояния в другое в моменты времени, когда напряжение UИ на выходе интегратора в фазе роста достигает уровня +ЕП /3, а в фазе спада – уровня +ЕП 2 /3 (см. рис. 37,а). При этом на выходе таймера формитуются импульсы
а) б)
Рисунок 37 – Временные диаграммы ПНЧ – а), зависимость частоты от входного напряжения – б).
длительностью t1 и паузы длительностью t2. Во время разряда конденсатора С на выходе присутствует импульс, а во время заряда – пауза. Очевидно, что перепад напряжения на конденсаторе С составляет ЕП /3, а частота следования f импульсов зависит прямо от уровня входного сигнала, как показано на рис. 37,б.
Регулирование крутизны преобразования df /dUВХ осуществляется подбором сопротивлений R3 и R4, либо ёмкости конденсатора С. Резисторы и конденсатор не размещены в чипе, они являются внешними «навесными» деталями схемы ПНЧ.
ПНЧ с подобного рода выпускаются в виде ИС, например КР1108ПП1. Эта микросхема может работать не только в качестве ПНЧ, она используется также и в режиме преобразователя частоты в напряжение (ПЧН).
Рисунок 38 – Структурная схема в режиме ПЧН
В режиме ПЧН импульсы входной частоты подаются на вход 2 таймера, который работает в режиме одновибратора. Сформированными импульсами стандартной формы с выхода Q включается ключ Кл1, коммутирующий источник стабильного тока I1 с инверсным входом ОУ, при этом происходит заряд конденсатора С схемы интегратора. Во время пауз между импульсами включается ключ Кл2, ток стабилизатора I2 подаётся на прямой вход ОУ, происходит перезаряд конденсатора. Выходное напряжение ПЧН снимается с выхода интегратора, оно пропорционально среднему напряжению на конденсаторе С, которое держится на нём в результате заряда – разряда, то есть определяется частотой повторения входных импульсов. Параллельно конденсатору включён резистор R1 с тем, чтобы напряжение не достигало области насыщения и было бы в линейной зависимости от частоты.
Ключи и источники тока не были показаны на рис. 36, чтобы не загромождать схему ПНЧ. Рабочий режим микросхемы КР1108ПП1 устанавливается путём соответствующих соединений выводов чипа.