13.. Аналого-цифрові і цифро-аналогові перетворювачі

В

Рис. 13.27. Дискретизація аналогового сигналу по рівню і з плином часу

ияснимо принцип представлення цифровим кодом аналогового сигналу у виді напруги, що змінюється з плином часу, (рис. 13.27). Весь діапазон змін напруги розіб'ємо на рівні інтервали приростів рівня напруги u, тобто кроки квантування. Через рівні проміжки часу будемо відзначати значення напруги, виражаючи їх на початку кожного проміжку цілим числом кроків квантування з недостачею. В момент часу t₀ 2u<u₀<3u, тому u₀=2u₀. Для моменту часу t₁ u₁=3u і т.д. Очевидно, значення напруги можна виражати числом кроків квантування з надлишком. Числа представимо в двійковому коді і зведемо в табл. 13.8.

Таблиця 13.8

Час	Напруга	Цифровий код
t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10	2u 3u 4u 5u 6u 6u 7u 7u 7u 6u 5u	010 011 100 101 110 111 111 111 110 101 110

Число рівнів береться рівним N=2^m, де m — розрядність двійкового числа. Абсолютна похибка при визначенні значення и може досягати кроку квантування. Відносна похибка у визначенні значення =1/2^m, у нашому випадку 12,5%. Очевидно, підвищення точності перетворення можна досягти зменшенням кроку квантування й інтервалів часу, через які фіксується значення напруги.

Процес перетворення аналогової форми сигналу в цифрову включає три операції: дискретизацію в часі, квантування за рівнем і кодування. Їхня реалізація здійснюється різними методами. Можна створити в колі 2^m фіксованих рівнів напруги, що відрізняються один від одного на один крок квантування, і встановити таку ж кількість пристроїв порівняння — компараторів для співставлення рівня перетворюючого аналогового сигналу з фіксованими напругами. На виході кожного компаратора в результаті порівняння перетворюючого сигналу з напругою визначеного рівня на другому його вході, виникають відповідні сигнали.

Н а практиці цей простий метод безпосереднього перетворення сигналу в цифрову форму здійснити складно. Необхідно мати 2^m значень еталонних напруг і стільки ж компараторів. Тому поширення одержали аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) непрямої дії, у яких використовується тільки один компаратор. До нього підводиться перетворююча напруга и_х і еталонна напруга и₀, що змінюється з плином часу по величині. Розглянемо принцип роботи такого перетворювача.

Рис. 13.28. Схема (а) і графіки напруг (б) АЦП непрямої дії

В АЦП (рис. 13.28, а) як компаратор використовується операційний підсилювач. На прямий вхід його подається перетворююча напруга и_х, позитивної полярності, на інвертуючий вхід - також позитивна напруга від генератора лінійно-змінюючої напруги (ГЛЗН). Роботою ГЛЗН керує генератор тактових імпульсів (ГТІ).

У початковому стані напруга, що поступила з ГЛЗН і подана на інвертуючий вхід и₀=0. На виході операційного пристрою (ОП) – позитивна напруга. Вона підводиться до одного з входів логічного елемента DD1, що реалізує функцію І. На другий вхід цього елемента надходять імпульси напруги позитивної полярності від генератора тактових імпульсів. Вихід елемента DD1 з'єднаний із входом лічильника DD2.

Поданий на вхід «Пуск» сигнал запуску запускає в хід генератор тактових імпульсів і лічильник. Починає працювати генератор лінійно змінюючої напруги. Лічильник визначає число імпульсів, що надходять на його вхід з виходу елемента DD1. Напруга и₀ на виході ГЛЗН росте і до моменту t₃ (рис. 13.28, б) буде більшою від напруги и_х. При и₀>и_х напруга на виході компаратора стає негативною. Напруга на виході елемента DD1 залишається постійною, надходження тактових імпульсів на вхід лічильника припиняється. Лічильник фіксує число тактів до моменту появи напруги и₀, яка рівна напрузі и_х. Через визначений проміжок часу напруга и₀ стає рівною нулю і цикл перетворення автоматично повторюється.

У багатьох аналого-цифрових перетворювачах напруга и₀ змінюється ступенями, а число ступіней визначається показами лічильника.

У

Рис. 13.29. Рівень сигналу як функція його цифрового коду

перетворювачах цифрового коду сигналу в аналогову форму вихідна напруга встановлюється пропорційною вираженому цифровим кодом числу. Одиниці молодшого розряду цифрового коду ставиться у відповідність визначене значення вихідного сигналу (напруги). В міру збільшення числа змінюється ступенями вихідна напруга цифро-аналогового перетворювача (ЦАП). Для числа 0, вираженого кодом 000, Nu=0 (рис. 13.29). Для коду 001 Nu=1u, для 010 Nu=2u і т.д.

Цифро-аналоговий перетворювач може бути побудований на базі операційного підсилювача, у якому вихідна напруга пропорційна сумі струмів у його вхідному колі (рис. 13.30, а). Вхідний струм операційного підсилювача дорівнює нулю. Тому І₀+І₁+І₂+І₃+=1. Але І= —и_вих/R_з.з.. Звідси и_вих= —(І₀+І₁+І₂+І₃)R_з.з. Для створення струмів І₀, І₁, І₂, І₃ включенe стабілізоване джерело напруги U₀. Резистори встановлюють співвідношення між струмами: 1₁=2І₀, 1₂=4І₀, 1₃=8І₀. При замиканні ключа SA0 u_0вих= —І₀R_з.з, при замиканні ключа SA1 u_1вих= —2І₀R_з.з, для ключів SA0 і SA1 u_01вих= —3І₀R_з.з і т.д. Якщо сигнал х₀, що відповідає цифрі молодшого розряду, керується ключем SA0, сигнал х₁ наступного розряду — ключем SA1, то вихідна напруга виходить пропорційною цифровому коду.

Рис. 13.30. ЦАП з підсумовуванням струмів прогресивним колом (а) і з матрицею резисторів (б)

У пристроях, де реалізується цей принцип, встановлюються транзисторні ключі, а в якості керуючих ключами сигналів виступають напруги низького (0) і високого (1) рівнів, подані з виходів регістра чи лічильника.

Недоліком перетворювача є необхідність точного дотримання співвідношень між опорами резисторів у колах ключів. У багаторозрядних перетворювачах похибка у величинах опорів повинна бути настільки малою, що виготовлення необхідних резисторів стає проблематичним. Вихід був знайдений шляхом створення кола яке містить резистори з опорами R і 2R (рис. 13.2, б), які називають резистивною матрицею R-2R. Керування струмами в колі здійснюється електронними перемикачами SA0...SA3, керованими сигналами Х0, Х1, Х2, Х3, відповідних розрядів цифрового коду. Легко визначити, що необхідне співвідношення між струмами І₀:І₁:І₂:І₃=1:2:4:8 для представленої матриці резисторів виконується. Значення струмів у резисторах матриці не міняються в залежності від стану ключів. Можливі інші методи включення матриці й інших варіантів кіл для утворення ЦАП.

Промисловість випускає АЦП інтегрального виконання