Цифро-аналоговые преобразователи

Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование цифровой информации в эквивалентную аналоговую величину, называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Эти преобра зователи применяют, когда необходимо с помощью цифровой информации, выдаваемой микроЭВМ, управлять аналоговым сигналом электроаппаратов или тиристорных преобразователей. ЦАП входят также в аналого-цифровые преобразователи управляющих сигналов. Основные параметры ЦАП: диапазон изменения входных и выходных значений сигналов; быстродействие; погрешность преобразования. Наибольшее распространение получили ЦАП с использованием резистивной матрицы с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями, а также матрицы с двумя номиналами сопротивлений, которую обычно называют матрицей R-2R. ЦАП входят в схему АЦП, в состав внешних устройств автоматических устройств управления и выполняются как на дискретных электронных элементах, так и в интегральном исполнении. ЦАП с весовыми двоично-взвешенными сопротивлениями (рис. 5.22) состоят из n электронных ключей (по одному на каждый разряд), управляемых преобразуемым двоичным кодом N; матрицы двоично-взвешенных резисторов; источника опорного напряжения Uоп ; выходного операционного усилителя, суммирующего токи для получения аналогового выходного сигнала Uвых , пропорционального цифровому. На входы а0...аn–1 от регистров, являющихся внешними устройствами по отношению к ЦАП, поступают сигналы в двоичном коде на управление ключами. При поступлении на i-й вход сигнала логической «1» срабатывает соответствующий ключ и подключает источник опорного напряжения к операционному усилителю, а при поступлении на i-й вход сигнала логического «0» — к общей шине. Сопротивления резисторов, соединенных с ключами, таковы, что обеспечивается пропорциональность протекающего по ним тока двоичному весу соответствующего разряда входного кода. Сопротивление резистора старшего разряда принимается равным R , следующего разряда R2 и т.д. до сопротивления резистора младшего разряда R2n–1. Номиналы сопротивлений в младшем и старшем разрядах отличаются в 2n–1 раз и должны выбираться с высокой точностью. Например, для 12-разрядного ЦАП использование в старшем разряде сопротивления 10 кОм потребует в младшем разряде сопротивление примерно 20 МОм. Это создает некоторые неудобства при интегральном исполнении ЦАП. Цифро-аналоговые преобразователи с матрицей R-2R не имеют таких сложностей благодаря наличию дополнительного резистора в каждом разряде (рис. 5.23, а). Работает данный ЦАП так же, как и ранее рассмотренный, т.е. по принципу сложения входных сигналов, а следовательно, и токов в операционном усилителе.

Аналого-цифровые преобразователи

Применение микропроцессоров в качестве управляющих и диагностирующих устройств связано с использованием большого количества самых разнообразных датчиков. Но практически все выходные сигналы датчиков имеют аналоговую форму. Чтобы микропроцессор мог воспринимать эту информацию, ее необходимо преобразовать в цифровой сигнал. Эту операцию выполняют специальные преобразователи, называемые аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Микропроцессор, получив сигнал от АЦП, обрабатывает его и формирует управляющие сигналы. Последние принимаются интерфейсными узлами, которые преобразуют и усиливают их до уровня, необходимого для управления реальными устройствами. В зависимости от особенностей системы (отдаленность датчиков и исполнителей от МП) АЦП могут входить в состав интерфейса или относиться к внешним устройствам. АЦП выполняют на дискретных элементах и в интегральном исполнении. Физически процесс аналогоцифрового преобразования состоит из квантования и копирования сигнала. Процесс квантования аналогового сигнала выполняется и по уровню и по времени (рис. 5.16). Но процесс квантования приводит к возникновению ошибок, максимальное значение которых равно ±1/2 единицы младшего разряда преобразователя. На рис. 5.16, а приведена характеристика преобразования, а на рис. 5.16, б — график ошибки квантования трехразрядного АЦП для нормированного входного сигнала. Предположим, что какой-то датчик вырабатывает выходное напряжение Uвых , изменяющееся произвольным образом (рис. 5.16, а — штриховая линия). Весь диапазон возможных значений сигнала датчика разбивают на уровни. Расстояние между уровнями берется одинаковым и называется шагом квантования Q. Каждому уровню присваивается двоичный код. Число уровней берется равным 2n , где n — разрядность кода. В нашем случае мы получили восемь уровней, и каждый уровень соответствует определенному значению сигнала. Чем больше в преобразователе уровней, тем меньше шаг квантования и тем точнее преобразование сигнала, снимаемого с датчика.

Погрешности, возникающие в процессе преобразования, подразделяются на: инструментальные, обусловленные несовершенством отдельных узлов преобразователя и влиянием различных дестабилизирующих факторов; статические и динамические, которые характеризуются постоянными отклонениями при квантовании и временем преобразования. Для уменьшения динамической погрешности АЦП используют устройства выборки и хранения, включаемые между источником аналогового сигнала и входом АЦП. Работа устройств выборки и хранения (УВХ) основана на принципе запоминания и фиксации мгновенного значения входного сигнала на время, необходимое для выполнения АЦП операции преобразования. Такое устройство имеет два устойчивых режима работы: выборки и хранения. В режиме выборки (слежения) выходной сигнал УВХ с максимально возможной скоростью достигает значения преобразуемого сигнала и затем отслеживает его до тех пор, пока не придет команда на хранение. С этого момента УВХ будет хранить (запоминать) на выходе мгновенное значение преобразуемого входного сигнала. Так как УВХ запоминает входной сигнал АЦП в момент времени, точно определяемый командой хранения, существенно снижаются помехи и время между моментом фиксации мгновенного значения входного сигнала и моментом получения его цифрового эквивалента, называемое еще апертурным временем. Основу УВХ составляют: операционные усилители, выполняющие буферную роль между входом АЦП и запоминающим элементом; элементы, работающие в ключевом режиме и обеспечивающие переход схемы в режим хранения, и наоборот; аналоговые запоминающие элементы и схемы управления ключами. Рассмотрим основные принципы построения АЦП, нашедшие широкое распространение в устройствах автоматического управления тиристорными преобразователями и подвижным составом. Это преобразователи напряжения в частоту; сопротивления и угла поворота; температуры и давления в сигналы, подлежащие обработке в микроЭВМ.

Все АЦП можно разделить на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

К последовательным АЦП относятся:

• интегрирующие АЦП, использующие в процессе преобразо-

вания операцию интегрирования входного сигнала;

• АЦП с последовательным сравнением;

• АЦП с двоично-взвешенным приближением;

• АЦП с промежуточным преобразованием входного сигнала;

• АЦП без промежуточного преобразования.

К параллельным АЦП относятся устройства, выполненные на компараторах, отличающихся друг от друга уровнем срабатывания.

Параллельно-последовательные АЦП прямого преобразования, частично последовательные АЦП, сохраняя высокое быстродействие позволяют значительно уменьшить количество компараторов (до , где n — число битов выходного кода, а k — число параллельных АЦП прямого преобразования), требующееся для преобразования аналогового сигнала в цифровой (при 8-ми битах и 2-х АЦП требуется 30 компараторов). Используют два или более (k) шага-поддиапазона. Содержат в своем составе k параллельных АЦП прямого преобразования. Второй, третий и т. д. АЦП служат для уменьшения ошибки квантования первого АЦП путем оцифровки этой ошибки. На первом шаге производится грубое преобразование (с низким разрешением). Далее определяется разница между входным сигналом и аналоговым сигналом, соответствующим результату грубого преобразования (со вспомогательного ЦАП, на который подаётся грубый код). На втором шаге найденная разница подвергается преобразованию, и полученный код объединяется с грубым кодом для получения полного выгодного цифрового значения. АЦП этого типа медленнее параллельных АЦП прямого преобразования, имеют высокое разрешение и небольшой размер корпуса. Для увеличения скорости выходного оцифрованного потока данных в параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования применяется конвейерная работа параллельных АЦП.

Последовательные АЦП прямого преобразования, полностью последовательные АЦП (k=n), медленнее параллельных АЦП прямого преобразования и немного медленнее параллельно-последовательных АЦП прямого преобразования, но ещё больше (до , где n — число битов выходного кода, а k — число параллельных АЦП прямого преобразования) уменьшают количество компараторов (при 8-ми битах требуется 8 компараторов). Троичные АЦП этого вида приблизительно в 1,5 раза быстрее соизмеримых по числу уровней и аппаратным затратам двоичных АЦП этого же вида.

36