Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

В связи с широким внедрением цифровых приборов и устройств, в первую очередь микропроцессоров и микро-ЭВМ, во все отрасли науки и техники стала актуальной задача связи ЭВМ с различными техническими устройствами. Как правило, информация первичных преобразователей (сигналов датчиков) пред­ставляется в аналоговой форме, в виде уровней напряжения. Боль­шая часть исполнительных устройств (электродвигатели, электро­магниты и т. д.), предназначенных для автоматического управления технологическими процессами, реагирует также на уровни напря­жения (или тока). С другой стороны, цифровые ЭВМ принимают и выдают информацию в цифровом виде. Для преобразования ин­формации из цифровой формы в аналоговую применяют цифро-ана­логовые преобразователи (ЦАП), а для обратного преобразования — аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Цифро-аналоговый преобразователь согласует цифровую часть системы управле­ния с аналоговой. Входной сигнал ЦАП - двоичное многоразрядное число, а выходной - напряжение U_вых, формируемое на основе опорного напряжения.

На рис. 71 приведена схема ЦАП. В составе ЦАП можно выделить три основные части: резисторная матрица, электронные ключи, управляемые входным числом, и суммирующий усилитель, формирующий выходное напряжение.

С помощью резисторной матрицы происходит суммирование токов или напряжений так, что выходное напряжение пропорцио­нально входному числу.

Резистор R_i подключается к источнику питания с опор­ным напряжением U_оп через электронный ключ, кото­рый замкнут при А_i=1 и разомкнут при А_i=0. Чем старше разряд, тем меньше сопротивление и больше ток (напряжение).

Выходное напряжение операционного усилителя представляет собой сумму входных токов (напряжений).

Диапазон изменения напряжения, соответствующий младшему разряду

ΔU_o = R_oc∙U_оп /R_o

Рисунок 71 – Цифро-аналоговый преобразователь

Процедура аналого-цифрового преобразования состоит из двух этапов: дискретизации по времени (выборки) и квантования по уровню. Процесс дискретизации состоит из измерения значений непрерывного сигнала X(t) только в дискретные моменты времени 0, Т, 2Т,…, отстоящие друг от друга на величину периода дискретизации Т (рис. 72).

Для квантования диапазон изменения входного сигнала подразделяется на равные интервалы (уровни квантования): ..., - 5ΔХ/2, - ЗΔХ/2, - ΔХ/2, ΔХ/2, 3ΔХ/2, 5ΔХ/2, ..., где ΔХ - интервал (шаг квантования). Операция квантования сводится к определению того интервала, в который попало дискретизированное значение Х(t), и к присваиванию выходному значению X*(t) цифрового кода, соответствующего значению центра найденного интервала.

Рисунок 72 - Дискретизация и квантование непрерывного сигнала X (t)

При такой замене может быть допущена ошибка, равная ΔХ/2. Для ускорения процесса преобразования, упрощения и удешев­ления преобразователя надо выбирать максимально допустимый шаг кван­тования, при котором еще не появляются большие погрешности.

Су­ществует несколько способов создания АЦП. Рассмотрим в упрощенном виде один из способов по­строения. Структурная схема представлена на рис. 73, а.

АПЦ состоит из мультивибратора, генерирующего тактовые импульсы С (рис. 73, 6), реверсивного счетчика, подсчи­тывающего тактовые импульсы, ЦАП и компаратора К. Реверсивный счетчик работает на сложение при подаче сиг­нала 1 на вход «+» и на вычитание при сигнале 0 на наз­ванном входе.

На первый вход компаратора подан входной аналоговый сигнал - напряжение U_вх. В момент t₁ схема включена в ра­боту, исходное состояние счетчика Q₁=Q₂=Q₃=Q₄=0. На выходе ЦАП U_c=0 - аналоговый эквивалент кода, за­писанного в счетчике, т.е. нулевой сигнал. При U_вх - U_c >0 сигнал компаратора положительный, этот сигнал подается на вход «+» счетчика, который работает на сложение.

Рисунок 73 - Структура аналого-цифрового преобразователя (а), временные диаграммы работы (б)

С каждым импульсом С код счетчика начинает увеличи­ваться, пока сигнал ЦАП не превысит U_вх. Компара­тор переключается, на вход «+» подается нулевой сигнал и счетчик переходит в режим работы на вычитание. Очередной импульс С уменьшает код счетчика, уменьшается сигнал на выходе ЦАП, компаратор снова переключается в первоначальное положение и так далее. При этом напря­жение на выходе ЦАП колеблется около значения U_вх. На­пряжение U_c на выходе ЦАП однозначно связано с кодом счетчика, поэтому код счетчика соответствует значению U_c. Выходной сигнал АЦП снимается с разрядов реверсивного счетчика.

Временные диаграммы рис. 73, 6 показывают, что при включении устройства и при изменении входного сигнала существует время запаздывания установки кода на счетчи­ке. Для уменьшения этого интервала частота мультивиб­ратора MB должна быть увеличена.

ЦАП и АЦП характеризуются погрешностью, быстродействием и динамическим диапазоном.

Погрешность преобразования состоит из методической (опре­деляет шаг квантования по уровню) и инструментальной (определяется нестабильностью параметров элементов схемы преобразователя и неточностью его настройки) составляющих.

Быстродействие ЦАП и АЦП определяется временем преобразо­вания: для ЦАП - интервалом между моментами поступления входного кода и установления выходного сигнала (с заданной точ­ностью), для АЦП - интервалом от момента пуска преобразователя до момента получения кода на выходе.

Динамический диапазон - допустимый диапазон изменения вход­ного напряжения для АЦП и выходного напряжения для ЦАП.