вания входного сигнала и второй такт интегрирования опорного напряжения. Сигнал «Запуск» воздействует на триггер, включается ключ Кл1. Входной сигнал напряжением Uвх поступает на вход интегратора, где он преобразуется по закону (см. рис. 5.21, б):
U инт = |
1 |
t2 |
( ) |
|
|
||
|
∫U вх t dt. |
||
|
RC t |
|
|
|
|
1 |
|
На вход компаратора К подается сигнал интегрирования и нулевое напряжение. Таккаквначальныймоментвремениt1 напряжениеинтегратора равно нулю, компаратор срабатывает и переводит триггер Т3 в состояние «1», в результате чего элемент И открывается и импульсы с генератора ГИ поступают на счетчик. Входной сигнал интегрируется за фиксированный интервал времени T2 = t2 – t1 = 2n∆tсч . Конец интервала T2 фиксируетсясчетчиком, которыйвмоментвремениt2 выдаетсигналпереполнения, поступающийнатриггеры. ПриэтомключКл1 выключается, а ключКл2 включается, иначинаетсявторойрабочийтакт. Теперьнавход интегратора поступает опорное напряжение Uоп обратной полярности. Начиная с момента времени t2 счетчик вновь заполняется импульсами от генератора, анапряжениенавыходеинтегратораизменяетсяпозакону:
( |
) |
|
1 |
t3 |
− |
|
∫Uопdt. |
||
U инт = U инт t2 |
|
|
||
|
|
|
RC t2 |
|
В момент времени t3 напряжение на выходе интегратора становится равным нулю, компаратор возвращается в исходное положение и по инверсному выходу переводит триггеры Т1 и Т2 в нулевое состояние. При этом напряжение Uоп отключается от интегратора, а сигнал с триггера Т3 запрещает подачу импульсов с ГИ на счетчик, который фиксирует при этом числовой код N = Т3 / ∆tсч. Быстродействие данного АЦП невелико. При известном числе разрядов оно определяется частотой счетных импульсов fсч = 1/∆tсч. Пример данного типа АЦП — 11-разрядный АЦП на микросхеме К572ПВ2.
5.4.2. Цифро-аналоговые преобразователи
Устройство, осуществляющее автоматическое преобразование цифровой информации в эквивалентную аналоговую величину, на-
зывается цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). Эти преобра-
232
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-взвешен- ными 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 вхо-
ды 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
233
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 . Отсюда суммарный ток, поступающий на вход операционного усилителя:
I = |
an−1Uоп |
+ |
an−2Uоп |
+ ... + |
a1Uоп |
+ |
a0Uоп |
. |
R |
R 2 |
R 2n−2 |
|
|||||
|
|
|
|
R 2n−1 |
||||
Соответственно выходное напряжение ЦАП
|
U |
R |
n−1 |
|
Uвых = −IRoc = − |
|
оп oc |
∑ai 2i . |
|
R 2n−1 |
||||
|
i=0 |
|||
Максимальное выходное напряжение будет, когда на всех разрядах будут логические «1»:
|
|
(2n−1 )R |
|
|
||
|
|
|
||||
U max = |
U |
oc |
|
|
. |
|
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. Если на вход ЦАП поступает код 1000 (на вход an–1 – «1», а на все остальные — «0»), то ключ Клn–1 подключен к источнику опорного напряжения Uоп, а все остальные к общей шине. При этом эквивалентное сопротивление цепи справа от узла Мn–1 равно 2R, так как входной вывод ОУ фактически имеет нулевой потенциал (рис. 5.23, б). Ток, вызван-
234
Рис. 5.23. Схема ЦАП с матрицей R-2R с суммированием токов (а), схема ОУ с нулевым потенциалом на входе (б)
ный опорным напряжением Uоп, вузле Мn–1 делится пополам, обеспечивая на выходе ОУ напряжение, пропорциональное входному сигналу, Uвых n–1 = –1/2 IRoc . То же самое происходит и с остальными разрядами. Таким образом, выходное напряжение ЦАП пропорционально сумме напряжений со своими весами, обусловленных теми ключами, которые подключены к Uоп . По таким схемам выпускаются ЦАП в интегральном исполнении: 10—12-разрядные схемы К572ПА1, К572ПА2 современемпреобразованиясоответственно5 и15 мкс.
235