6.10. Цифроаналоговые преобразователи (цап). Аналого-цифровые преобразователи (ацп)

ЦАП — функциональный узел, однозначно преобразующий кодовые комбинации цифрового сигнала в значения аналогового сигнала, например, в виде напряжения на выходе U_вых.

U_вых = E₀(X1∙2^-1+X₂∙2^-2+...X_n∙2^-n), (6.22)

где Е₀— опорное напряжение; Х(Х₁, X₂, .... Х_п)—цифровой код; X_i принимают значения 0 или 1. При определенном Е₀ каждому X_i на выходе устройства соответствует напряжение

В ЦАП используют двоичные коды: прямой, смещенный, дополнительный. Результаты преобразования показаны в табл. 6.7.

Наиболее просто определяется соответствие цифровых и аналоговых величин при прямом коде, что особенно важно для

Таблица 6.7

Прямой код		Смещенный код		Дополнительный код
xвх	±Uвых,В	xвх	±Uвых,В	xвх	±Uвых,В
0000	0,000	0000	—8,00	0111	7
0001	0,500	0001	—6,93	0110	6
0010	1,000	0010	—5,87	0101	5
0011	1,500	0011	—4,80	0100	4
0100	2,000	0100	—3,73	0011	3
0101	2,500	0101	—2,67	0010	2
0110	3,000	0110	— 1,60	0001	1
0111	3,500	0111	—0,53	0000	0
1000	4,000	1000	0,53	1111	-1
1001	4,500	1001	1,60	1110	—2
1010	5,000	1010	2,67	1101	—3
1011	5,500	1011	3,73	1100	__4
1100	6,000	1100	4,80	1011	—5
1101	6.500	1101	5,87	1010	—6
1110	7,000	1110	6,93	1001	. —7
1111	7,500	, 1111	8,00	1000	—8

ЦАП сигналов следящих систем, так как при переходе через нуль не меняются старшие разряды кода, что позволяет реализовать линейный переход от малых положительных к малым отрицательным выходным напряжениям. Для преобразования как положительных, так и отрицательных кодов используют знаковый разряд, который управляет переключением выходного напряжения ЦАП. Для исключения коммутирующих элементов из схемы ЦАП используют смещенный код, являющийся наиболее простым для реализации в схеме преобразователя.

При применении дополнительного кода положительные числа преобразуются так же, как для прямого кода, а отрицательные— двоичным дополнением соответствующего положительного числа (инверсия всех разрядов с последующим добавлением единицы в младший разряд). Таблица показывает, что прямой код дает возможность использовать в 2 раза большее разрешение по сравнению со смещенным и дополнительным кодами.

Базовая схема ЦАП, реализующая выражение (6.21), показанная на рис. 6.31, а, содержит источник опорного напряжения Е₀, матрицы двоично-весовых резисторов, набор ключей и дифференциальный операционный усилитель. Но для схемы необходимо использовать резисторы с большим диапазоном номиналов, например, 1R —1024R для 10-разрядного ЦАП. Этого недостатка лишена резистивная (лестничная) матрица R — 2R, показанная на рис. 6.31,б. Выражение (6.21) релизуется схемой ЦАП на рис. 6.31, а непосредственно, так как соотношение

R_oc/R_i равно весу соответствующего X_i Схема ЦАП на основе матрицы R — 2R также реализует выражение (6.21).

Практическая реализация многоразрядных схем ЦАП проводится на основе микросхем, содержащих основные блоки ЦАП в одном корпусе. В частности, 12-разрядные ЦАП на микросхемах 594ПА1; 572ПА2; 1108ПА1А, Б и др.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Они решают задачу поиска однозначного соответствия аналоговому сигналу цифрового кода. На вход АЦП поступает аналоговый сигнал и после определенного преобразования на его выходе появляется

Рис. 6.31. Схемы ЦАП: а — е двоично-весовыми резисторами; б — на основе резисторной матрицы R—2R

Рис. 6.32. Структура АЦП: а — последовательного счета; б — временная диаграмма его работы

цифровой код. Существует ряд методов аналого-цифрового преобразования: методы последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту; параллельного преобразования.

Схема и график работы АЦП последовательного счета приведены на рис. 6.32. Из графика видно, что время преобразования переменное и зависит от входного аналогового сигнала, причем такт работы постоянный и равен

Т_р = Т_о2^п,

Рис. 6.33. Структура АЦП: α — поразрядного уравновешивания; б — временная диаграмма его работы

где Т_о — период генератора опорных импульсов, n — разрядность счетчика и собственно АЦП.

Работа этого АЦП не требует синхронизации, что упрощает схему управления. С момента поступления сигнала «старт» на выходе АЦП с частотой 1/Т_р изменяются цифровые коды результата преобразования. 1/Т_р—параметр, определяющий максимально допустимую частоту отслеживания входного сигнала, например Т_о=1 мкс, п=8, f_отс = 4 кГц. Некоторым усложнением

схемы управления, заменой суммирующего счетчика на реверсивный и введением элементов, обеспечивающих его работу, реализуется схема следящего АЦП, что сокращает время одно-канального преобразования.

В многоканальных системах сбора и обработки данных широко применяют АЦП поразрядного уравновешивания (рис. 6.33, а, где Р_ГС_ДВ и Р_{Г. вых} — соответственно регистры сдвига и выхода). Схема управления сложнее, чем предыдущая, но время преобразования значительно меньше. Например, так как Т_р=Т_оп, то при Т_о=1 мкс, n=8, Т_Р=8 мкс и f_отс≈100 кГц.

Временная диаграмма работы АЦП этого типа приведена на рис. 6.32,6. С момента поступления сигнала «старт» генератор тактовых импульсов ГТС перемещает единичный сигнал на регистре сдвига Р_гС_дв, с регистра сдвига через схему И единица записывается в регистр выхода, если U_BX>U_BЫХ ЦАП, то в соответствующий разряд регистра выхода записывается 0, таким образом формируется цифровой код на выходе АЦП начиная от старшего разряда. В качестве АЦП выпускаются микросхемы 572ПВ2, 1113ПВ1, 1107ПВ1 и др.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается преобразование информации в цифровых устройствах автоматики от ее преобразования в аналоговых устройствах?

2. Какими закономерностями характеризуется двоичная арифметика и построение двоичных кодов?

3. Какими свойствами обладают комбинационные схемы и цифровые автоматы?

4. Что вы знаете об элементарной базе средств цифровой автоматики?

5. Для чего используется синхронизация цифровых устройств?

6. Какими свойствами обладают RS, Т, D, IK-триггеры?

7. На каких принципах строятся регистры, шифраторы, дешифраторы?

8. Назначение и принцип действия счетчиков, сумматоров.

9. Функциональное назначение арифметическо-логических устройств.

10. Принципы построения элементов памяти в цифровой автоматике.

11. Функциональное назначение и закономерности построения цифроана- . логовых (ЦАП) и аналого-цифровых преобразователей (АЦП).