4.5 Цифро-аналоговые преобразователи

Назначение ЦАП – преоб­разование двоичного цифрового сигнала в эквивалентное аналого­вое напряжение. Такое преобразование можно произвести с помощью резистивных цепей, показанных в соответствии с рисунком 4.5.

В ЦАП с двоично-весовыми резисторами требует­ся меньшее число резисторов, однако при этом необходим целый ряд номиналов прецизионных сопротивлений. Аналоговое выход­ное напряжение U_АН ЦАП определяется как функция двухуровне­вых входных напряжений

U_ВЫХ=(U_A+2U_B+4U_C+…)/(1+2+4+...). (4.7)

а) с двоично-взвешенными резисторами

б) с резисторами R и R/2

Рисунок 4.5 – ЦАП

На цифровых входах U_A, U_B, U_C, ... напряжение может прини­мать лишь два фиксированных значения, например, либо 0, либо 1.

Для ЦАП, в котором используются резисторы R и R/2, требуется больше резисторов (рисунок 4.5, б), но только с двумя номиналами. Аналоговое напряжение на выходе такого ЦАП определяется по формуле

U_ВЫХ = (UA+2UB+4UC+…+mUn)/2n , (4.8)

где n — число разрядов ЦАП;

т — коэффициент, зависящий от числа разрядов ЦАП.

Для обеспечения высокой точности работы резистивные цепи ЦАП должны работать на высокоомную нагрузку. Чтобы согласовать резистивные цепи с низкоомной нагрузкой, использу­ют буферные усилители на основе операционных усилителей.

4.6 Аналого-цифровые преобразователи

Назначение АЦП — преобра­зование аналогового напряжения в его цифровой эквивалент. Как правило, АЦП имеют более сложную схему, чем ЦАП, причем ЦАП часто является узлом АЦП. Обобщенная структурная схема АЦП с ЦАП в цепи обратной связи имеет вид в соответствии с рисунком 4.6.

Выполненные по такой схеме АЦП находят широкое примене­ние благодаря хорошим показателям по точности, быстродейст­вию при сравнительной простоте и низкой стоимости.

В состав АЦП входят n-разрядный триггерный регистр результатов преобразования DD₁ — DD_n, управляющий разрядами ЦАП; компаратор, связанный с устройством управления УУ и содержащий генератор тактовой частоты. Реализуя в УУ различ­ные алгоритмы работы АЦП, получают различные характеристи­ки преобразователя.

Рисунок 4.6 – Обобщенная структурная схема ЦАП

Используя рисунок 4.6 рассмотрим принцип действия АЦП, предполагая, что в качестве триггерного регистра используется реверсивный счетчик. Реверсивный счетчик имеет цифровой выход, напряжение на котором возрастает от каждого тактового импуль­са, когда на входе счетчика «Прямой счет» высокий уровень напряжения, а на входе «Обратный счет» — низкий. И наоборот, напряжение на цифровом выходе при каждом тактовом импульсе уменьшается, когда на входе «Прямой счет» низкий, а на входе «Обратный счет» — высокий уровень напряжения.

Важнейшим узлом АЦП является компаратор, имеющий два аналоговых входа U_ЦАП и U_АН и цифровой выход, подключен­ный через УУ к реверсивному счетчику. Если напряжение на выходе компаратора имеет высокий уровень, уровень на входе счетчика «Прямой счет» также будет высоким. И наоборот, когда выходное напряжение компаратора имеет низкий уровень, низким будет также и уровень на входе «Прямой счет».

Таким образом, в зависимости от того, высокий или низкий уровень на выходе компаратора, реверсивный счетчик считает соответственно в прямом или обратном направлении. В первом случае на входе U_ЦАП компаратора наблюдается ступенчато-нарастающее напряжение, а во втором — ступенчато-спадающее.

Поскольку компаратор работает без обратной связи, уровень его выходного напряжения делается высоким, когда напряжение на его входе U_АН станет немного отрицательнее, чем на входе U_ЦАП. И наоборот, уровень его выходного напряжения становится низким, как только напряжение на входе U_АН станет немного положительнее напряжения на входе U_ЦАП.

На вход U_ЦАП компаратора поступает выходное напряжение ЦАП, которое сравнивается с аналоговым входным напряжением, поступающим на вход U_АН.

Если аналоговое напряжение U_АН превышает напряжение, снимаемое с выхода ЦАП, реверсивный счетчик считает в прямом направлении, ступенями наращивая напряжение на входе U_ЦАП до значения напряжения на входе U_АН. Если же U_АН<U_ЦАП или становится таковым в процессе счета, напряжение на выходе компаратора имеет низкий уровень и счетчик считает в обратном направлении, вновь приводя U_ЦАП к U_АН. Таким образом, система имеет обратную связь, которая поддерживает выходное напряжение ЦАП приблизительно равным напряжению U_АН. Следователь­но, выход реверсивного счетчика всегда представляет собой цифровой эквивалент аналогового входного напряжения. С выхода реверсивного счетчика считывается цифровой эквивалент аналого­вого входного сигнала АЦП.