3.Аналого-цифровые преобразователи высокой точности и

малого быстродействия

Структурная схема преобразователя приведена на рис.8.2.

Устройство содержит аналоговый интегратор, компаратор, схему управления, генератор счетных импульсов, счетчик, дешифратор и цифровой индикатор. Имеется два ключа К₁ иК₂.Cпомощью первого ключа ко входу устройства подключаются входной и эталонный сигналы:U_СиU_ЭТ, полярность последнего противоположна полярности входного сигнала. КлючК₂либо включает интегратор, либо разряжает его.

Рассмотрим работу устройства. С помощью схемы управления в момент начала работы t₀ключК₁, переходя из нейтрального положения, подключает входной сигнал ко входу интегратора при разомкнутом ключеК₂. Напряжение на выходе интегратора:

t₀

где t₁- момент

окончания опроса. Предполагается, что за время интегрирования входной сигнал практически не меняется (условие малой скорости изменения входного сигнала).

Интервал интегрирования t₁-t₀жестко фиксирован. В моментt₁схема управления отключает входной сигнал, переводя ключК₁вправо и подключив интегратор к источнику опорного напряжения. Интегратор начинает разряжаться, напряжение на нём падает. В момент прохождения сигнала на выходе интегратора через нуль-t₂компаратор образует сигнал остановки, воздействуя на схему управления. При этом ключК₁переводится в нейтральное положение и производится контрольное обнуление интегратора с помощью кратковременного замыкания и размыкания ключаК₂, подготовив его к новому циклу работы.

Временная диаграмма работы интегратора приведена на рис. 8.3.

Согласно рис.8.3. можно записать, что в момент t₂:

Следовательно, измеряемое напряжение U_ВХ(t₀):

t₂

Рис.8.3

Из последнего выражения следует, что при фиксированном интервале T₁и величинеU_ЭТ, напряжениеU_ВХ(t₀)пропорционально времениT₂ разряда конденсатора интегратора. Схема управления включает счетчик на времяT₂, который за указанный интервал подсчитывает импульсы генератора счетных импульсов (ГСИ). Количество этих импульсов пропорциональное напряжениюU_ВХ(t₀), пройдя через дешифратор, отображается на десятичном цифровом индикаторе.

Для повышения точности измерения увеличивают частоту ГСИ. При измерении входного сигнала противоположной полярности необходимо устройство дополнить нуль–органом в виде компаратора, подключаемого ко входному сигналу. При наличии входного сигнала обратной полярности нуль-орган выдает сигнал, по которому происходит инверсия U_ВХ(t) и эталонного напряжения, что далее фиксируется на цифровом индикаторе.

8.2. Цифроаналоговые преобразователи.

Цифроаналоговые преобразователи выполняют операцию превращения цифрового представления числа в соответствующую ему аналоговую величину. Устройство может быть выполнено с использованием в операционном усилителе параллельной ООС по напряжению. В разделе 6.1 показано, что при введении в ОУ такой обратной связи, сквозной коэффициент передачи напряжения будет: (8.1)

Рассмотрим устройство, структурная схема которого приведена на рис.8.4.

Рис.8.4

Согласно (8.1) выходной сигнал U₂= -U_ОП, гдеR₀- сопротивление, состоящее из блока параллельно включаемых сопротивленийR-R/8. Пусть ключК₁соответствует младшему разряду двоичного числа 2⁰=1, ключK₂- второму разряду 2¹=2, ключК₃-следующему разряду –2²=4 и ключК₄- старшему разряду числа- 2³=8. Тогда выходное напряжение устройства можно записать следующим образом:

где К₁-К₄- условное обозначение коэффициентов передачи ключей равных единице, если ключ замкнут или равных нулю, если ключ разомкнут.

Последнее выражение можно записать иначе, если вместо сопротивлений ввести их проводимости:

Таким образом, коммутируя ключи согласно двоичному коду числа, на выходе устройства получаем соответствующее значение аналогового сигнала. Увеличивая число разрядов, можно расширить динамический диапазон устройства. Представление выходного сигнала в виде (8.1^/) интересно в том отношении, что оно указывает на увеличение тока поступающего от источникаU_ОП в резисторR_OCпри увеличении числа включенных в схему сопротивлений. По этой причине функциональную схему рис.8.4 называют схемой с суммированием токов.

При увеличении числа разрядов в ЦАП повышаются требования к точности выполнения резисторов. Наиболее жесткие требования предъявляются к номиналу резистора старшего разряда, разброс его значения ΔRне должен превышать номинал младшего разряда резистора и допустимое отношениеΔR/Rв зависимости от числаМразрядов будет:

(8.2)

Так при: М=3:=0,06 или 6%, приМ=4=0,03 или 3%, а приМ=10 указанное отношение не должно превышать 0,05%, что вызывает существенные трудности реализации сопротивлений с такой точностью. Схема рис.8.4 имеет и другие недостатки. При записи (8.1^/) предполагалось, что напряжениеU_ОПне зависит от количества параллельно включенных резисторов блока, что может быть, если внутреннее сопротивление источника равно нулю (идеальный генератор напряжения). Наличие внутреннего сопротивленияR_ОПприведет к тому, что в зависимости от тока потребляемого блоком резисторов, напряжениеU_ОПбудет изменяться за счет падения напряжения на его внутреннем сопротивлении и приведет к появлению ошибки преобразования цифрового сигнала в аналоговую форму. Для устранения (или значительного уменьшения) этого явления однопозиционные ключи схемы рис.8.4 заменяются на двухпозиционные, как это изображено на схеме рис.8.5

Действительно, поскольку напряжение на входе операционного усилителя в схеме при любом наборе коммутируемых резисторов практически равно нулю (см. описание принципа виртуального замыкания, рассмотренного в разделе 6.1), то в схеме рис.8.5 с двухпозиционными ключами К₁-К₄потребление тока от источникаU_ОПне зависит от их положения. В этом случае опорное напряжение не меняется даже при наличии его внутреннего сопротивления.

Уже отмечалось, что требование к точности выполнения номиналов резисторов блока при большом числе разрядов М- оказывается трудно выполнимым. Однако существует решение, позволяющее обойти указанное затруднение с помощью так называемых матриц «постоянного импеданса».