4. Преобразователи электрических сигналов

Аналоговые сигналы являются электрическими величинами, амплитуда, частота и фаза которых содержит информацию о физических переменных, характеризующих процессы, протекающие в каких-либо устройствах или системах. Регистрация физических величин производится непрерывно как по времени, так и по уровню сигнала. Непрерывные сигналы могут изменяться в определенных пределах и их значения могут быть зафиксированы при любом значении независимой переменной. Современная техника располагает средствами для обработки непрерывных сигналов, обеспечивая их фильтрование, усиление, математическое преобразование (суммирование, умножение, интегрирование, дифференцирование, логарифмирование и другие более сложные операции) и т.д.

Операционные усилители интегрального исполнения, являющиеся базовым элементом различных устройств обработки электрических сигналов, имеют, к сожалению, определенные недостатки. К ним относятся: неидеальность характеристик, усугуб-ляемая старением компонентов, зависимость точности от температуры и условий эксплуатации, требование калибровки и т.д.

Распространение цифровой вычислительной техники, особенно микропроцессоров интегрального исполнения, для обработки сигналов в системах передачи информации, управления и регулирования потребовало разработку устройств, получивших название аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Преобразование сигналов в цифровую форму влечет за собой переход к дискретному контролю физической величины как по времени, так и по уровню и представление ее в виде двоичного кода. Обработанный в компьютере (микропроцессоре) цифровой сигнал в системах управления поступает на исполнительное устройство чаще всего аналогового типа. Поэтому необходимо выполнить обратную операцию, представить цифровой код в соответствующий ему аналоговый сигнал. В этом случае используют ЦАП.

4.1. Цифро-аналоговые преобразователи

Под ЦАП понимают устройства, позволяющие преобразовывать информацию, представленную в цифровом коде, в аналоговую форму.

ЦАП служат для связи автоматических или автоматизированных систем управления и контроля с объектами, контрольно-измерительной и радиоаппаратурой. Область применения ЦАП включает цифровые системы связи, цифровую обработку информации, робототехнику, бытовую радиоэлектронную аппаратуру, управление технологическими процессами и т. п.

Наибольшее распространение получили параллельные ЦАП интегрального исполнения с токовым или потенциальным выходом, которым и уделяется основное внимание.

Цифроаналоговое преобразование заключается в суммировании эталонных значений напряжения, соответствующих единичным разрядам входного кода.

В большинстве серийно выпускаемых отечественных ЦАП цифровой код сначала преобразуется в ток, а затем в напряжение. Обобщенная структурная схема таких преобразователей представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1

Источник опорного напряжения и операционный усилитель (ОУ), как правило, выполняются в виде отдельных микросхем.

Резистивная матрица обеспечивает протекание токов, соответствующих входному коду ЦАП.

Электронные ключи подключают цепи резистивной матрицы, соответствующие входному цифровому коду.

Логическая схема обеспечивает управление ключами в соответствии с поступающим цифровым кодом, а также выполняет функции согласующего устройства.

Выходное напряжение U_вых ЦАП определяется следующим выражением:

U_вых = U_оп (S₁∙2 ^{– 1} + S₂∙2 ^{– 2} +…+ S_n∙2 ^{– n} ), (4.1)

где S_i – коэффициенты двоичных разрядов, принимающие значения 0 или 1;

степени 2 ^{– 1}; 2 ^{– 2}; 2 ^{– i} и т.д. определяют вес каждого разряда;

U_оп – опорное напряжение постоянного или переменного тока;

n – число разрядов.

Равенство (4.1) иллюстрирует, как из опорного напряжения формируются эталонные величины, соответствующие значениям разрядов входного кода, которые затем суммируются и образуют дискретные значения выходного напряжения U_вых.

Принципы схемотехнических решений цифро-аналоговых преобразователей различны. Основные структуры, используемые в ЦАП интегрального исполнения, реализуются на принципе суммирования токов.

ЦАП на основе суммирования токов

Простейшим сумматором токов (рис. 4.2) является схема, выполненная на резисторах.