3.6.4. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Обычно датчики усилия, температуры и других физических величин дают на выходе напряжение в аналоговой форме, пропорциональное измеряемой величине или ее отклонению от некоторого установленного уровня.

Обработка измерительной информации, ее передача по линиям связи и хранение чаще всего производится в форме дискретных сигналов.

В то же время для работы многих исполнительных устройств МС, таких как регуляторы, электродвигатели и т. п. требуется обратное преобразование сигнала из цифровой формы в аналоговую.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Существует множество способов цифро-аналогового преобразования. На рис. 3.21 показана упрощенная схема ЦАП, использующего лестничный делитель типа R-2R и операционный усилитель ОУ. Двоичное напряжение подается на вход схемы управления, которая преобразует последовательный код в параллельный. Каждый выход этой схемы соответствует одному разряду и используется для управления ключами A, B, C, D (для простоты на схеме рис.3.21 электронные ключи условно показаны в виде контактов). Эти ключи подключают левые концы резисторов 2R к источнику эталонного напряжения Е_эт, когда соответствующий разряд двоичного числа равен 1, или к корпусу, когда этот разряд равен 0. Положение ключей на схеме соответствует числу 1101.

Е сли ключ D замкнут на источник Е_эт, а остальные ключи – на корпус, то напряжение, создаваемое на неинвертируещем входе операционного усилителя, равно Е_эт/3. Замыкание на эталонный источник ключа С создает вдвое меньшее напряжение, а замыкание ключей В и А - соответственно в 4 и в 8 раз меньшее. Эти напряжения суммируются, и в результате на входе ОУ получается аналоговое напряжение, соответствующее преобразуемому двоичному коду. Абсолютное значение этого напряжения определяется величиной напряжения источника Е_эт. Напряжение на выходе ОУ нормируется путем соответствующего выбора коэффициента передачи ОУ (k_пер≈R₂/R₁) [15].

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Существует также множество способов и схем аналого-цифрового преобразования. На рис. 3.20 показана схема АЦП параллельного кодирования, выполняющая преобразование аналогового напряжения в n-разрядное число. С помощью цепочки из 2ⁿ резисторов эталонное напряжение делится на 2ⁿ градаций и подается на инвертирующие входы 2ⁿ -1 операционных усилителей. На все неинвертирующие входы, соединенные вместе, подается преобразуемое аналоговое напряжение. Значение эталонного напряжения выбирается равным максимально возможному значению преобразуемого аналогового напряжения.

Н а инвертирующем входе верхнего по схеме усилителя (ОУ_n-1) напряжение равно [(2ⁿ-1)/2ⁿ] E_эт.

Например, при n=7 и 2ⁿ =128 количество операционных усилителей равно 127, и на вход верхнего по схеме усилителя подается напряжение, равное (127/128)E_эт. 24.05.10 М Операционные усилители выполняют здесь роль компараторов. Они сравнивают аналоговое напряжение с частью эталонного напряжения, подаваемого на инвертирующий вход усилителя. Если аналоговое напряжение превышает напряжение на инвертирующем входе операционного усилителя, то на его выходе появляется положительное напряжение, соответствующее логической единице. В противном случае на выходе операционного усилителя появляется отрицательное напряжение, соответствующее логическому нулю. Например, при U_вх>(127/128)E_эт на выходах всех операционных усилителей появляются логические единицы, а на выходах шифратора появляется семь единиц. Если (127/128)E_эт >U_вх>(126/128)E_эт , на выходе верхнего компаратора появляется логический нуль, а на выходах остальных компараторов – логические единицы. В этом случае на всех выходах шифратора, за исключением Q₀, будут логические единицы. Приоритетный шифратор является комбинационной схемой, формирующей двоичное число на выходе. Старший разряд появляется на верхнем выходе шифратора.

Недостатком описанной схемы является ее сложность (как уже упоминалось, при n=7 схема содержит 127 операционных усилителей). Однако ее огромным преимуществом является быстрота преобразования, т. к. сигнал появляется одновременно на выходах всех операционных усилителей. Кроме того, поскольку усилители здесь работают в режиме компараторов, к ним не предъявляются требования по величине коэффициента передачи и линейности, поэтому сформировать такой преобразователь в интегральном исполнении не представляет особых трудностей. Время преобразования такой схемы может составлять 10-20 нс. Такое быстродействие является необходимым при преобразовании быстроменяющихся сигналов (можно брать до 10⁸ отсчетов в секунду) [15].

К огда от АЦП не требуется высокое быстродействие, используются более простые и медленнодействующие схемы. К простейшим из них относится преобразователь последовательного счета, схема которого приведена на рис. 3.22. В его состав входит ЦАП. По команде о начале преобразования включается двоичный счетчик, который управляет работой ЦАП. На выходе последнего возникает ступенчатое линейно нарастающее по времени напряжение U₁. С помощью компаратора оно сравнивается с входным напряжением U_вх. В момент равенства этих напряжений срабатывает компаратор и останавливает работу счетчика, на выходе которого фиксируется выходной двоичный код. Такой преобразователь работает гораздо медленнее рассмотренного ранее. При максимальном значении U_вх его время преобразования равно t_пр=2ⁿ/f_T, где f_T – частота тактовых импульсов. Например, при f_T =1 МГц и n=12 время преобразования t_пр ≈4 мс.

Статическая погрешность схемы определяется погрешностями цифро-аналогового преобразователя и компаратора [16].

В ИС мехатронных устройств АЦП и ЦАП входят в виде интегральных микросхем, номенклатура которых достаточно широка [17]. Выбираются по количеству разрядов, быстродействию, допустимой статической погрешности, входному напряжению.