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 Uвых, 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 Ri подключается к источнику питания с опорным напряжением Uоп через электронный ключ, который замкнут при Аi=1 и разомкнут при Аi=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
ΔUo = Roc∙Uоп /Ro
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 Uвх. В момент t1 схема включена в работу, исходное состояние счетчика Q1=Q2=Q3=Q4=0. На выходе ЦАП Uc=0 - аналоговый эквивалент кода, записанного в счетчике, т.е. нулевой сигнал. При Uвх - Uc >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 Uвх. 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 Uвх. Напряжение Uc на выходе ЦАП однозначно связано с кодом счетчика, поэтому код счетчика соответствует значению Uc. 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.
Дата добавления: 2021-01-11; просмотров: 622;