ФОЭ / СлайдыФОЭчасть2

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) называется устройство, осуществляющее автоматическое преобразование входных значений, представленных числовыми кодами в эквивалентные им значения какой-нибудь физической величины (напряжения, тока).

Преобразование обеспечивает соответствие между входным числовым значением N, и ее аналоговым эквивалентом x(t). Количественная связь для любого момента времени t, опре- x± xi, где x — шаг квантования по уровню (аналоговый

эквивалент единицы младшего разряда кода); xi – погрешность преобразования.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. Рассмотрим лишь основных из них.

ЦАП делятся на две большие группы – параллельные и последовательные.

ЦАП и АЦП также характеризуются разрядностью – числом двоичных разрядов в коде. Чем выше разрядность, тем более высокую точность преобразования обеспечивают ЦАП и АЦП.

ЦАП с cуммированием весовых токов

ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями состоит из : n ключей, управляемых преобразуемым двоичным кодом N;

матрицы двоично-взвешенных резисторов; источника опорного напряжения Uоп; выходного операционного усилителя, с помощью которого суммируются токи, протекающие через двоично-взвешенные сопротивления.

Регистр, который обычно является внешним устройством по отношению к ЦАП, вырабатывает двоичный код N, состоящий из n двоичных разрядов:

Uвых

ЦАП на основе матрицы R–2R

Uвых

Рис. 2.4. ЦАП с матрицей R–2R с суммированием токов

Основной элемент матрицы представляет собой делитель напряжения, который должен удовлетворять следующему условию: если он нагружен на сопротивление Rн, то его входное сопротивление Rвх также должно принимать значение Rн.

ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

В случае, если не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ)

Выход ШИМ управляет ключом S. В зависимости от заданной разрядности преобразования контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых =tи/Т определяется соотношением

A

2n

где n – разрядность преобразования, а A – преобразуемый код.

Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Вэтой схеме емкости конденсаторов С1 и С2 равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С2 разряжается ключом S4.

Впервом полутакте конденсатор С1 заряжается до опорного напряжения Uоп при a0=1 посредством замыкания ключа S1 или разряжается до нуля при a0=0 путем замыкания ключа S2. Во втором полутакте при разомкнутых ключах S1, S2 и S4 замыкается ключ S3, что вызывает деление заряда пополам между С1 и С2. В результате получаем:

В результате для n-разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно:

Последовательный АЦП с единичным приближением

а) б)

Быстродействие рассматриваемого АЦП, характеризуемое временем преобразования, опре-

Рис. 3.6. Схема последовательного АЦП с единичным приближением (а) и временные диаграммы его работы (б)

деляется числом разрядов n и частотой счетных импульсов fсч. Время преобразования АЦП

данного типа является переменным и определяется уровнем входного напряжения. Максимальное время преобразования, соответствующее максимальному входному напряжению:

где tсч=1/fсч — период следования счетных импульсов

Рис. 3.7. Схема следящего АЦП

В схеме используется реверсивный счетчик, сигналя на который поступают с прямого и инверсного выхода компаратора.

При Uвх Uцап выходной код АЦП колеблется вокруг среднего положения с точностью до единицы младшего разряда ЕМР, как это имеет место в любой дискретной следящей системе. Если в состоянии динамического равновесия Uвx(t) начинает изменяться, то выходной код АЦП отслеживает его с погрешностью, равной ЕМР, при условии, что за период счетных импульсов tсч входной сигнал изменится не более чем на значение шага квантования u, т. е.

uв' х (t) tсч u