Дослідження цифро-аналогових перетворювачів теоретичні відомості

Рис. 1. Структурна схема автоматизованої системи управління

При створенні пристроїв для зв’язку між собою об’єктів, використовуючих інформацію в дискретній і неперервній формах, застосовують перетворювачі аналогових сигналів в цифрові (АЦП) і цифрових в аналогові (ЦАП).

ЦАП забезпечують одержання на виході аналогової величини, відпо-відаючій цифровій кодовій комбінації, що поступила на вхід. Аналогова величина відтворюється для дискретних моментів часу.

Зображення одного із можливих застосувань розглядуємих пристроїв показане на мал. 1. Об’єкт керування оснащений датчиком для одержання інформації про параметри процесів (наприклад, температури і тиску), необхідної для керування об’єктом. Часто на виходах датчиків одержуються аналогові величини, тому для вводу інформації в ЕОМ потрібна присутність АЦП.

Рис. 2. Функціональна схема ЦАП

Після обробки інформації на ЕОМ одержується код, який характеризує параметри об’єкта управління і подається на допоміжні пристрої, щоб подіяти на органи керування, забезпечуючи правильне функціонування об’єкта. На органи керування в свою чергу подаються аналогові сигнали і для формування їх із коду використовується ЦАП.

Як правило, всі АЦП та ЦАП входять в склад блоку обміну інформації (БОІ). Крім вказаного застосування АЦП широко використовуються в цифрових вимірювальних приладах.

Алгоритми роботи АЦП і ЦАП являють собою перетворення, завдяки якому встановлюється відповідність між аналоговою величиною, поданою на вхід АЦП і отриманій на виході ЦАП, і цифровим кодом, що одержується на виході АЦП або поданим на вхід ЦАП.

В даній лабораторній роботі розглядаються пристрої, в яких аналоговою величиною є напруга.

Принцип дії ЦАП пояснюється схемою (Рис. 2).

Основу ЦАП складають сукупність резисторів (матриця), що підключаються до входу операційного підсилювача з допомогою ключів. Сумісно з резистором R₁ ця матриця утворює коло від’ємного зворотного зв’язку, що охоплює ОП. Із врахуванням співвідношень опорів, що підключені до входу, вихідна напруга ЦАП визначається виразом:

(1)

Де - коефіцієнти, що приймають значення 0, якщо відповідний ключ розімкнутий, або 1, якщо ключ замкнутий.

Таким чином, чотирирозрядний двійковий код перетворюється в рівень вихідної напруги в діапазоні 0 до 15U, де U - крок квантування. Для зменшення похибки квантування необхідно збільшити розрядність ЦАП, тобто число двійкових розрядів. Недоліками цієї найпростішої схеми ЦАП є, по-перше, жорсткі вимоги до точності і стабільності резисторів, по-друге, зміна навантаження джерела живлення в залежності від положення ключів, що потребує зменшення внутрішнього опору джерела опорної напруги, тобто стабілізації напруги U_оп.

Ці недоліки усунуті в схемі ЦАП, показаній на рис. 3. В ній використовуються більш складні ключі, які під’єднують резистори опором 2R або до входу ОП, або до загальної шини. Всі резистори об’єднані в матрицю типу R-2R, що має постійний вихідний опір із сторони джерела опорної напруги. Тут утворюється також коло зворотнього зв’язку, а вихідна напруга визначається виразом, аналогічним (1):

(2)