2

Лекция № 10 Тема: «Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи»

Текст лекции по дисциплине: «Цифровые устройства и

микропроцессоры»

Калининград

2016 г

Содержание

Введение.

Учебные вопросы (основная часть):

1. Цифроаналоговые преобразователи

2. Аналого-цифровые преобразователи

Заключение

Литература:

Основная литература

Л.2. Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров «Аналоговая и цифровая электроника», М.Горячая линия- Телеком, 2000г. с. 736-762

Дополнительная литература

Л.5. Е.П. Угрюмов «Цифровая схемотехника», Санкт-Петербург, 2000г. с. 77-90

Л.6. Ю.А. Браммер. И.Н.Пашук «Импульсные и цифровые устройства», М.-Высшая школа, 1999г. с. 284-295

Л.9 Б.А.Калабеков «Цифровые устройства и микропроцессорные системы», М.: «Горячая линия - телеком», 2000 г. 156-173

Учебно-материальное обеспечение:

1. Полилюкс

2. Слайды

3. Плакаты

Текст лекции Введение

В настоящее время всё большее распространение имеют системы и устройс­тва, которые в качестве информационного сигнала используют цифровые сигналы. При этом при обработке и выдаче информации необходимо преобразовывать ин­формацию из цифровой формы в аналоговую и наоборот.

1. Цифроаналоговые преобразователи.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП)- устройство, предназначенное для преобразования цифрового сигнала в аналоговый.

Другое название такого устройства - преобразователь код-аналог.

1. Назначение следует из определения.

3. Классификация цифро-аналогового преобразователя.

ЦАП классифицируется по следующим основным признакам:

0. По числу разрядов преобразуемого кода:

0. 4-х разрядная;

1. 8-и разрядная;

2. и т.д.

0. По принципу действия:

0. ЦАП с суммированием напряжения:

• ЦАП с суммированием напряжения с двоично-взвешенными резисторами;

• ЦАП с суммированием напряжения на резистивной матрицей;

0. ЦАП с суммированием токов:

• ЦАП с суммированием токов в резисторной матрице.

0. ЦАП с делением напряжения.

3. По роду выходного сигнала:

0. ЦАП с токовым выходом;

1. ЦАП с потенциальным выходом;

2. ЦАП с резистивным выходом.

4. По полярности выходного сигнала:

0. униполярные ЦАП;

1. биполярные ЦАП.

5. По характеру опорного сигнала:

0. с постоянным опорным сигналом;

1. с изменяющимся опорным сигналом (умножающие).

5. Устройство цифроаналогового преобразователя.

Рис. 1 Устройство цифроаналогового преобразователя

Структурная схема ЦАП состоит из:

0. резистивной схемы;

1. суммирующего усилителя.

Назначение элементов схемы:

0. резистивная схема учитывает веса разрядов цифровых сигналов на входе;

1. суммирующий усилитель - усиливает поступающее на его вход сигналы до необходимого уровня.

В качестве суммирующего усилителя, как правило, используют ОУ.

7. Условное обозначение:

На схеме ЦАП обозначаются следующим образом:

или

Рис. 2 УГО ЦАП

В такие схемы могут включатся резисторные матрицы и ОУ, либо только ре­зисторные матрицы (набор сопротивлений R).

В схемотехническом исполнении ЦАП представляет собой, как правило, однокорпусную микросхему. Обозначаются такие микросхемы следующим образом. Например: К 594 ПА1: где: А - код аналог, П - преобразователь.

9. Принцип работы цифроаналогового преобразователя.

Значение выходного напряжения U_вых ЦАП пропорционально весу присутствую­щего на входе кода.

Таким образом, выходное напряжение является суммой напряжений на входах, которые относятся друг к другу как веса соответствующих разрядов.

Представим схему ЦАП структурным эквивалентом в виде Рис. 3.

Рис. 3 Структурный эквивалент схемы ЦАП

В этом случае,

0. от "1" в первом разряде на выходе появляется уровень напряжения логи­ческой единицы U¹;

1. от "1" во втором разряде - 2U¹;

2. от "1" в третьем разряде - 4U¹, и т.д.

Т.е. напряжение на выходе пропорционально весу разряда.

Например:

Если на входе присутствует код 1011,то выходное напряжение равно

U_вых=1U¹+1(2U¹)+0(4U¹)+1(8U¹)=11U¹

Т.е. выходное напряжение пропорционально двоично-десятичному коду числа.

Физически (с помощью графика) такое напряжение можно представить следующим образом:

Рис. 4 Выходное напряжение ЦАП

Таким образом, каждый двоичный код на входах ЦАП преобразуется в соответствующую ему дискретную аналоговую величину с периодом повторения Т. В дальнейшем эта последовательность модулированных по амплитуде импульсов поступает на вход устройств, осуществляющих преобразование указанной последовательности импульсов в непрерывный аналоговый сигнал

Рассмотрим схему простейшего ЦАП на резисторах и ОУ.

Схема ЦАП с двоично--взвешенными резисторами (цап с суммированием напряжением)

В данной схеме, чем больше величины сопротивлений R, тем меньше коэф­фициент усиления ОУ, К_у. Следовательно, для меньшего разряда величины сопро­тивления равно 8R.

Рис. 5 Схема ЦАП с двоично-взвешенными резисторами (ЦАП с суммированием напряжением

10. Работа схемы цифроаналогового преобразователя.

Токи, обусловленные напряжением логической единицы U¹ в разрядах кода сум­мируются на R_ос и создают:

U_вых=R_oc((U¹/R)*a₄+ (U¹/2R)*a₃+ (U¹/4R)*a₂+ +(U¹/8R)*a₁)=(U¹R_oc/R)(1a₄+1/2*a₃+1/4*a₂+1/8*a₁)= =(U¹R_oc)/8R(8a₄+4a₃+2a₂+1a₁)

Величина U¹R_oc/8R называется коэффициентом преобразования.

а_i - обозначают цифры 1 или 0 в разрядах кода.

Как видно, записанная в скобках сумма является двоичным кодом чис­ла, т.е. выходное напряжение U_вых пропорционально весу действующего на входе кода.

Недостатком такой схемы является следующее:

0. в схеме используются резисторы с широким дискретным номиналом;

1. трудно выдержать соответствие весов 1 2 4 8 и т.д. при изменении тем­пературы и как следствие, не высокая точность преобразования.

Схема ЦАП с суммированием напряжением на резисторной матрице.

Таких недостатков лишена схема ЦАП с резисторной матрицей. По другому та­кую схему называют ещё R-2R схемой (схемой лестничного типа).

В такой схеме используются сопротивления только двух номиналов. Обычно 10 и 20 кОм.

Данная схема (её принцип работы) работает аналогично простейшему ЦАП. При этом U_вых= U¹2N R_oc/R, где N –десятичное значение двоичного числа; Е= U¹.

При подаче на входы резистивной матрицы напряжения логической единицы U¹, в узлах АВСDустанавливаются соответствующие напряжения:

U_A=1/3*U¹; U_B=1/3* U¹*1/2; U_C=1/3* U¹*1/4; U_D=1/3* U¹*1/8

Т.е. коэффициенты передачи между соседними узлами матрицы равны 0,5.

Т.к. для ТТЛ - технологии, по которой, в основном изготовляются ОУ уровень логической единицы U¹=3.75В, то переход к каждому следующему двоичному числу приводит к увеличению аналогового сигнала на 0.25В (см. таблицу)

Рис. 6 Схема ЦАП с суммированием напряжением на резисторной матрице.

Вес разряда				Выходное напряжение
8	4	2	1	Uвых,В
0	0	0	0	0
0	0	0	1	0,25
0	0	1	0	0.5
0	0	1	1	0.75
0	1	0	0	1.00
0	1	0	1	1.25
0	1	1	0	1.5
0	1	1	1	1.75
1	0	0	0	2.00
............
1	1	1	1	3.75

Параметры ЦАП.

К основным параметрам ЦАП относятся:

• погрешность преобразования (характеризует степень отклонения выходного сигнала от идеального);

• время установления (время, требуемое для установления выходного сигнала ЦАП в пределах, соответствующих половине единицы младшего разряда для заданного изменения цифрового кода на входе, например, при изменении от нуля до полного значения шкалы. Время установления характеризует быстродействие ЦАП);

• число двоичных разрядов входного сигнала;

• диапазон и уровни входных (выходных) сигналов.

Вывод: ЦАП - это функциональное цифровое устройство смешанного типа преобразующее цифровой сигнал в аналоговый.