2.26 Цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи

ЦАП служит для преобразования цифровой информации в аналоговую форму, т.е. выходной сигнал ЦАП в общепринятых единицах измерения тока или напряжения (мВ, В, мА) соответствует численному значению входной кодовой комбинации.

Величина напряжения, соответствующая одной единице цифровой информации, называется шагом квантования Du_кв. При подаче на вход ЦАП последовательной цифровой комбинации, меняющейся от 0 до N, на его выходе появится ступенчато-нарастающее напряжение (рис. 5.1). Высота каждой ступени соответствует одному шагу квантования Du_кв.

Если число входной кодовой комбинации соответствует N, то выходное напряжение U_{вых ЦАП} = ND´u_кв. Таким образом можно вычислить значение выходного напряжения для любой входной кодовой комбинации. Так как Du_кв определяет минимальное значение выходного напряжения аналогового сигнала U_{вых мин.} = Du_кв, при выборе его значения необходимо учитывать также шумовые факторы, погрешности усиления масштабирующих усилителей и компаратора.

Основные параметры ЦАП

1. Относительная разрешающая способность

d_о = , здесь n- количество разрядов двоичного числа, подаваемого на вход ЦАП (n - соответствует числу разрядных входов ЦАП). Относительная разрешающая способность - это обратная величина от максимального числа уровней квантования.

2. Абсолютная разрешающая способность

d_а = Du_кв, где U_пш - напряжение полной шкалы, соответствующее опорному напряжению ЦАП. Это напряжение можно считать равным максимальному выходному напряжению; 2ⁿ - 1 = N - количество ступеней квантования.

Численно абсолютная разрешающая способность равна шагу квантования Du_кв.

3. Абсолютная погрешность преобразования d_пш показывает максимальное отклонение выходного напряжения U_вых в точке пересечения с идеальной характеристикой (прямой) на уровне напряжения полной шкалы. Абсолютная погрешность преобразования оценивается в процентах или же в единицах младшего значащего разряда (МР). При оценке значения абсолютной погрешности преобразования знак напряжения не учитывается.

4. Нелинейность преобразования ЦАП d_лн определяет максимальное отклонение реальной характеристики от идеальной и оценивается также в процентах или в единицах младшего значащего разряда.

  5. Дифференциальная нелинейность преобразования ЦАП d_дф.лн численно равна максимальной разности двух соседних приращений (шагов квантования)

d_дф.лн = Du_{кв 1} - Du_кв2.

Дифференциальная нелинейность оценивается в младших значащих разрядах и обычно не превышает нескольких единиц мр.

5. Время установления выходного напряжения или тока t_уст - интервал времени от подачи входного двоичного входного кода до вхождения выходного сигнала в заданные пределы.

6. Максимальная частота преобразования f_пр - наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям. Максимальная частота и время установления определяют быстродействие ЦАП.

Виды ЦАП условно можно разделить на две группы: с резисторными матрицами, безматричные ЦАП. В интегральном исполнении применяются только ЦАП с прецизионными резисторными матрицами, формирующими выходные сигналы путем суммирования токов.

ЦАП содержит элементы цифровой и аналоговой схемотехники. В качестве аналоговых элементов используются операционные усилители, аналоговые ключи (коммутаторы), резисторные матрицы и т.д.

Цифро-аналоговые преобразователи (далее — ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и служат для сопряжения цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. Они широко используются для управления аналоговыми устройствами при помощи ЭВМ. Принцип работы заключается в следующем. Для формирования аналогового сигнала на выходе, однозначно соответствующего цифровому коду входного сигнала, аналоговые ключи а_i подключают к выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов b_i, величина которых пропорциональна весу соответствующего двоичного разряда (рисунок 3.9.1). Наибольшее распространение в настоящее время получили микроэлектронные ЦАП. Их в общем случае можно разделить на преобразователи с прямым и промежуточным преобразованием. Преобразователи с прямым преобразованием обычно параллельного типа. В состав простейшей схемы ЦАП обычно входят источники опорного напряжения, резистивные или активные делители, аналоговые ключи. В качестве делителей чаще всего применяются матрицы R – 2R. Суммирование токов, образованных подключением соответствующих источников, производится операционным усилителем (далее — ОУ). Учитывая, что входное сопротивление и коэффициент усиления ОУ очень велики, можно заключить, что ток в его входной цепи практически не протекает, а все составляющие токов, протекающих через открытые ключи схемы, замыкаются на землю через резистор R_ОС, уравновешиваясь током I_ОС, текущим в цепи ОС. ОУ выполняет операцию суммирования токов, которые определяются значениями сопротивлений в тех разрядах ЦАП, где а_i=1

П одключая несколько резисторов к суммирующему входу операционного усилителя, на выходе можно получить напряжение, пропорциональное взвешенной сумме входных напряжений. Способ масштабирующих резисторов становится неудобным, если преобразованию подвергаются много разрядов. Матрица R-2R, показанная на рисунке 3.9.3, приводит к изящному решению этой задачи. Здесь требуется только 2 значения резисторов, по которым матрица R-2R- формирует токи с двоичным масштабированием. Особенностью такой матрицы являться то, что ее входное сопротивление при любом положении ключей равно R, т.е. общий ток, втекающий в матрицу равен Распределение потенциалов в узлах матрицы не меняется при изменении положения ключей, поскольку входное сопротивление операционного усилителя фактически равно нулю, следовательно, потенциал на входе равен потенциалу «земли». Это обстоятельство приводит к последовательному уменьшению вдвое напряжения в узлах схемы по мере их удаления от источника опорного напряжения и такому же уменьшению токов, протекающих через ключи. Приведенная схема формирует напряжение от 0 В до 5 В с числом уровней дискретизации равным 16, при подаче на разряды матрицы входного двоичного 4-х разрядного числа с ТТЛ уровнями. Схемы ЦАП на основе резистивных матриц R-2R практичны, надежны, обладают высокой скоростью преобразования и легко реализуются в интегральном исполнении. Не требуется широкого диапазона номиналов и чрезвычайной точности при их подгонке.

Аналого-цифровые преобразователи

  Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговых (непрерывных) сигналов в цифровую форму. Преобразование аналогового сигнала происходит в определенные моменты времени, которые называются точками отсчета. Количество отсчетов за единицу времени определяет частоту дискретизации (преобразования), которая, в свою очередь, определяется быстродействием и условиями использования АЦП. Интервал времени между отсчетами Т_отс и частота дискретизации f_пр связаны соотношением:

Т_отс = 1/f_пр.

В измерительной технике для преобразования медленно меняющихся процессов частота преобразования может быть установлена небольшой - единицы Герц и менее. В устройствах, где требуется преобразовывать сигналы в масштабе реального времени, частота преобразования выбирается из условия достижения максимальной точности восстановления цифрового сигнала в аналоговую форму. Например, преобразование речевого сигнала в дискретную форму. При этом частота дискретизации определяется как f_пр = 2F_мах, где F_мах - максимальная частота речевого сигнала.

Для обеспечения преобразования без искажений требуется выполнение условия:

t_пр < Т_отс,

где t_пр - время преобразования АЦП одного отсчета.

Основные параметры АЦП определяются также как и параметры ЦАП.

По принципу дискретизации и структуре построения АЦП делятся на две группы: 1-группа АЦП с применением ЦАП и 2-группа АЦП без ЦАП.

К первой группе относятся:

- АЦП последовательного счета (развёртывающего типа);

- АЦП последовательного приближения (поразрядного уравновешивания);

- следящий АЦП.

К второй группе относятся:

- АЦП прямого преобразования;

- АЦП двойного интегрирования;

- АЦП с применением генератора, управляемого напряжением (ГУН).

Каждый тип АЦП имеет свои достоинства и недостатки. На практике встречаются все выше перечисленные типы АЦП.

Аналого-цифровые преобразователи (далее — АЦП) представляют собой устройства, которые преобразуют входные аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами.

Параллельные АЦП. Данный тип АЦП реализует метод непосредственного считывания и является на сегодняшний день самым быстродействующим. В параллельных АЦП входной сигнал одновременно квантуется с помощью набора компараторов, включенных параллельно эталонному источнику сигнала. Пороговые уровни компараторов установлены с помощью резистивного делителя в соответствии с используемой шкалой квантования. При подаче на такой набор компараторов входного сигнала на выходах последних будет иметь место проквантованный сигнал, представленный в параллельном коде, который с помощью кодирующей логики преобразуется в двоичный. Схема содержит m резистивных делителей эталонного напряжения и столько же компараторов. Число m определяется количеством дискретных значений преобразуемого напряжения в полном диапазоне преобразования.

Каждое из опорных напряжений подается на первые входы компараторов, на вторые входы которых подается входное напряжение. При подаче U_вх переключаются те компараторы, где U_вх > U_эi. Выходные сигналы этих компараторов принимают единичное значение, запоминаясь в регистре. Выходы регистра соединяются с шифратором, который преобразует этот m разрядный параллельный единичный код в n разрядный параллельный двоичный код.

Последовательные АЦП делятся на АЦП счета и интегрирующие АЦП.

АЦП счета: Схема содержит два компаратора К1 и К2, первый из которых имеет опорное напряжениеUоп. а второй Uвх.

Интегрирующий АЦП. Полный цикл работы схемы состоит из двух тактов. В первом с помощью аналогового интегратора происходит интегрирование входного напряжения за фиксированный интервал времени. В результате этой операции на выходе интегратора формируется напряжение Uвых. Во втором такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения Uоп. до нуля.

АЦП последовательного приближения.

Принцип состоит в формировании цифровым способом эталонного напряжения Uэ путем последовательного приближения его к входному напряжению Uвх.