7. Дискретно-аналоговые ис
7.1. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи
Несмотря на преобладающее распространение цифровых методов передачи, обработки и хранения информации, полное исключение аналоговых методов невозможно. Зрение, слух, голос, тактильные ощущения человека «настроены» именно на аналоговые «сигналы». Поэтому аналоговые устройства в современной электронике абсолютно необходимы. Распространены устройства, сочетающие цифровые и аналоговые методы. В частности, отдельный и весьма разнообразный класс образуют дискретно-аналоговые ИС. В таких ИС сигналы на входах и выходах могут быть и цифровыми и аналоговыми.
Типичными задачами, решаемыми дискретно-аналоговыми ИС являются преобразование цифрового сигнала в аналоговый и обратное преобразование. Первые из них получили название цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Вторые – аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
На рис. 54 представлена схема простейшего четырёхразрядного ЦАП.
Рис. 54
Очевидно, что схема основывается на инвертирующем включении ОУ с ООС (см. р. 5.6). Входное четырёхразрядное двоичное число определяет состояние ключей схемы – замкнутое или разомкнутое. Так, если замкнут только ключ S0, с учётом свойств инвертирующего включения:
Uвых = Uвх Kuoоc = Uоп Kuoоc ≈ Uоп (Rn / R0), (17),
где Uоп – опорное напряжение.
В общем случае, поскольку при 4-х ключах возможны 16 состояний схемы,
Uвых ≈ Uоп (Rn / R0)z , (18),
где z = 0, 1, 2....15.
Из (18) следует, что точность преобразования двоичного кода в аналоговое напряжение зависит, главным образом, от точности и стабильности опорного напряжения, точности и стабильности отношений сопротивлений резисторов схемы. Последнее обеспечивается сильной корреляцией параметров элементов ИС.
Из (18) также следует, что на выходе ЦАП напряжение будет не чисто аналоговым, а ступенчатым. Более точное приближение к аналоговому сигналу достигается увеличением разрядности ЦАП, т.е. увеличением числа ключей и резисторов схемы.
Схема простейшего АЦП приведена на рис. 55. Здесь ОУ выполняют функцию компаратора. Согласно (12), если напряжение на неинвертирующем входе ОУ больше, чем на инвертирующем, выходное
Рис. 55
напряжение положительное и считается логической единицей, т.е. х = 1. В противном случае х = 0. На все неинвертирующие входы АЦП подаётся входное напряжение Uвх. На инвертирущие входы подаются напряжения с резистивного делителя напряжения. Эти напряжения зависят от опорного напряжения Uоп и от точки подключения входов к делителю (чем ниже по схеме, тем меньше). Поэтому при любом мгновенном значении Uвх часть компараторов выработает 1, другая часть – 0. Происходит преобразование аналогового входного напряжения в некоторое двоичное четырёхразрядное число.
Как и в случае ЦАП, точность преобразования определяется точностью и стабильностью опорного напряжения, сопротивлений резисторов и количеством разрядов. Если рассматривать погрешность преобразования ∆ Uвх, как некоторую помеху, шум, то отношение сигнал/шум S/N в децибелах можно приближённо рассчитать по формуле:
S/N ≈ Z ∙ 6 дБ (19),
где Z – разрядность преобразователя.