Цифроаналоговый преобразователь

Цифровые и аналоговые электронные устройства и системы сосуществуют, зачастую даже в пределах одного устройства есть аналоговая часть (части) и цифровая часть. Первая, как правило связана с датчиками физических величин, многоуровневых по своей природе (датчиками температуры, скорости, количество оборотов вала, вольтметрами, ваттметрами и т.д.). Вторая, цифровая часть более тесно связана с компьютером, микропроцессором или сигнальным процессором, служащими для обработки данных и управления устройством. Очевидно, должны существовать преобразователи физических величин из одного «формата» в другой. Такие схемы существуют: преобразователь цифровых кодов в многоуровневый сигнал называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП); схема, обеспечивающая обратную трансформацию – аналогоцифровым преобразователем (АЦП),

Практически все ЦАП построены по одному и тому же принципу: каждому разряду двоичного числа соответствует вполне определенное значение электрического тока или напряжения. Младшему разряду числа соответствует минимальное значение тока. В «булевой» алгебре «вес» соседних разрядов отличается в два раза (в привычном нам десятичном счислении в 10 раз!), поэтому значения «разрядных» токов или напряжений тоже должны отличаться в два раза. Токи и напряжения складываются. При этом суммируются только те токи, которым в двоичном числе в разряде соответствует единица. Универсальная формула, поясняющая работу ЦАП, (сложения токов) имеет вид:

I_Σ = I∙2⁰∙а₁ + I∙2¹∙а₂ + I∙2²∙а₃ + I∙2³∙а₄ +… = I∙а₁ + 2I∙а₂ + 4I∙а₃ + 8I∙а₄ +…,

где I – минимальный ток, соответствующий младшему разряду преобразуемого двоичного числа, I_Σ – суммарный ток, а₁…а₄ – значения разрядов числа (ноль или единица).

Рассмотрим ЦАП, предназначенный для преобразования трехразрядного параллельного двоичного кода в многоуровневый аналоговый сигнал. Схема ЦАП изображена на рис. 11.19. Система электрических токов, отличающихся ровно в два раза от разряда к разряду, формируется с помощью матрицы высокоомных резисторов повышенной точности, включенных в коллекторные цепи транзисторов.

Рис. 11.19

Транзисторы работают в ключевом режиме: при поступлении на базу U¹они открыты (насыщены), при подаче U⁰ – закрыты (находятся в отсечке). Поскольку сопротивление транзисторов даже в насыщенном состоянии отлично от нуля, это могло бы вызвать погрешность преобразования – однако применение в матрице именно высокоомных резисторов низводит ошибку до пренебрежимо малого уровня.

Разрядные токи поступают в сумматор, выполненный на ОУ. На его выходе формируется напряжение, пропорциональное аналоговой величине, получающейся при преобразовании двоичного кода в многоуровневый сигнал. Следует отметить, что схема рис. 11.19. является упрощенной, так как она предназначена лишь для пояснения принципа действия ЦАП – например, не учтена инверсия суммы сигналов на выходе ОУ. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев в электронных устройствах применяют ЦАП, выполненные в виде готовых интегральных микросхем.

При использовании двукратного преобразования многоуровневого сигнала (вначале – в двоичный код, а затем обратно в аналоговый «формат»), следует учитывать неизбежность внесения погрешностей дискретизации. Погрешность, которую вносит АЦП, ЦАП принципиально устранить не может, так как точность цифроаналогового преобразования задана значением минимального электрического тока, соответствующего младшему разряду цифрового кода.

ГСИН на базе ЦАП

На базе ЦАП можно построить генератор ступенчато изменяющегося напряжения (ГСИН). Для этого необходимы высокостабильный генератор прямоугольных импульсов типа меандра (например – кварцевый генератор гармонических сигналов с двусторонним усилителем-ограничителем на выходе), двоичный счетчик со схемой остановки и сброса по заданному номеру импульса и ЦАП. Функциональная схема ГСИН на базе ЦАП приведена на рис. 11.20.

Рис. 11.20

Ступенчато изменяющееся напряжение (СИН) применяется в различных индикаторных устройствах. СИН – многоуровневый, аналоговый сигнал. Построение ГСИН на базе ЦАП является примером того, как при решении задач аналоговой электроники может быть использован арсенал цифровых схем. Наряду с ГСИН на базе ЦАП существует и чисто аналоговая схема генератора ступенчато изменяющегося напряжения, но она сложна по своему принципу действия и генерирует СИН с относительно длинными фронтами.

Параллельный АЦП

Существует два типа аналогоцифровых преобразователей. АЦП параллельного типа осуществляет сравнение аналогового многоуровневого сигнала одновременно с большим количеством порогов, которые поступают на компараторы. Схема параллельного АЦП приведена на рис. 11.21.

Рис. 11.21

Пороги задает высокоточный резистивный делитель. Сами компараторы, являющиеся двухвходовыми, устроены несколько иначе, чем рассмотренные в главе 7: на их выходах формируются не разнополярные сигналы с уровнями + Е и −Е, а однополярные со значениями U⁰ и U¹. Этого можно добиться, подключив к выходам компараторов сумматоры (на рис. 11.21 сумматоры не показаны). Чем выше точность преобразования, тем больше требуется порогов и в результате тем более сложной и громоздкой становится схема. Например, если значение аналогового сигнала колеблется в пределах от 0…1 В и требуется преобразовать его в код с погрешностью не более 1 %, то необходимо 100 порогов, отстоящих друг от друга на 10 мВ, и, соответственно сто компараторов. В то же время в «булевой» алгебре для преобразования многоуровневого сигнала в код потребуется всего 7 разрядов.

Однако двоичный код, вырабатываемый на выходах компараторов, не соответствует «булевой» алгебре. Фрагмент этого кода приведен в табл. 11.6. Таким образом, в состав АЦП необходимо включить преобразователь код/код.

Табл. 11.6

Громоздкость схемы является недостатком параллельного АЦП, но зато параллельность процедуры преобразования обеспечивает хорошее быстродействие АЦП данного типа.