Лекция 23 Цифро-аналоговые преобразователи электрических сигналов

В системах автоматизации различных объектов встречаются два вида информационных и управляющих сигналов: аналоговые и цифровые. Реальные физические величины, характеризующие состояние объекта, представлены обычно в аналоговом виде. Для обработки таких сигналов с помощью контролеров и промышленных компьютеров необходимы аналого-цифровые преобразователи, они, как правило, входят в состав современных измерительных приборов и комплексов. Для сопряжения устройств цифровой обработки сигналов с системами, работающими с аналоговыми сигналами, применяются цифро-аналоговые преобразователи. В состав промышленного компьютера входит устройство сопряжения с объектами (УСО), которое обеспечивает возможность приема информации и выдачу сигналов управления в аналоговом и цифровом виде.

Цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) называется электронное устройство, предназначенное для преобразования цифровой информации в аналоговую. Области применения ЦАП достаточно широки. Они используются в системах передачи данных, в измерительных приборах, кроме того, в качестве узлов обратной связи в аналого-цифровых преобразователях, поэтому существует большое многообразие ЦАП, выпускаемых в интегральном исполнении. Интегральные микросхемы (ИМС) ЦАП классифицируются по следующим признакам:

- по виду выходного сигнала: с токовым выходом и с выходом в виде напряжения;

- по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;

по быстродействию: преобразователи умеренного и высокого быстродействия.

Условное графическое обозначение ЦАП показано на рисунке 23.1.

Рисунок 23.1 - Условное графическое обозначение ЦАП

ЦАП имеет систему информационных входов, на которые обычно параллельно подается преобразуемый код и один выход, с которого снимается постоянное напряжение или ток. Иногда для уменьшения размеров микросхем, которые. в основном, зависят от количества выводов, используется последовательный способ введения кода.

23.1 Параметры цап

Для количественного описания свойств ЦАП существует целый ряд параметров. Все параметры ЦАП разделяются на две группы: статические и динамические параметры.

К статическим параметрам относят:

- разрешающую способность,

- диапазон значений выходного сигнала,

- погрешности преобразования,

- характеристики управляющего кода.

К динамическим параметрам относят:

- время установления выходного напряжения,

- максимальную частоту преобразования,

- скорость нарастания выходного напряжения.

23.1.1 Статические параметры

При последовательном возрастании цифрового сигнала , часто в виде двоичного кода, от 0 до на единицу младшего значащего разряда (МЗР), выходной сигнал образует ступенчатую кривую, средние точки которой расположены на идеальной прямой 1 (рисунок 23.2).

Рисунок 23.2 -. Статическая характеристика преобразования ЦАП

Таким образом, напряжение на выходе представляется в виде квантованной по уровню величине. Коду соответствует максимальное напряжение на выходе, которое называется напряжением полной шкалы . Высота ступеньки называется шагом квантования и равна весу МЗР

, (23.1)

где N – число разрядов двоичного кода.

Разрешающая способность определяется как величина, обратная максимальному количеству градаций выходного сигнала

. (23.2)

Пример: , , то , , .

Реальная характеристика преобразования может отличаться от идеальной размерами, формой ступенек и расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует ряд параметров, которые называются погрешностями преобразования.

Интегральная нелинейность – максимальное отклонение характеристики преобразования от идеальной Обычно определяется в относительных единицах, но в справочниках часто приводится в единицах МЗР. Из рисунка 23.2 можно определить интегральную погрешность нелинейности как наибольшее отклонение линии 2 от идеальной отнесенную к напряжению полной шкалы

. (23.3)

Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение отклонения реальной характеристики преобразования при переходе от одного значения кода к смежному значению. Другими словами, это разность приращений выходной величины в двух смежных значениях кода, отнесенная к напряжению полной шкалы.

. (23.4)

Абсолютная величина должна быть меньше веса МЗР, что говорит о монотонности преобразования.

Погрешность смещения нуля определяется выходным напряжением при входном коде, соответствующем нулевому значению. Эта погрешность является аддитивной и соответствует сдвигу идеальной характеристики на величину (линия 3, рисунок 23.2). Значение погрешности дается в милливольтах или в единицах МЗР, а иногда в относительных единицах

. (23.5)

Погрешность полной шкалы – относительная разность между реальным и идеальным значением предела шкалы преобразования при отсутствии напряжения смещения нуля. Эта погрешность является мультипликативной и объясняется изменением угла наклона характеристики преобразования (линия 4, рисунок 23.2).

. (23.6)