Преобразователи аналоговых величин в цифровые
Цифро-аналоговые преобразователи
Принцип действия простейшего ЦАП поясняет схема на рис. 6.1, а. Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых ко входу операционного усилителя ключами, которые управляются двоичным кодом (например, параллельным кодом регистра или счетчика).
UВЫХ 1
Коэффициенты передачи K по входам 2", 2 , 2* и 2 равны
UОП
соответственно:
K0 R1 Z0; K1 2R1 Z1; K2 4R1 Z2; K3 8R1 Z3. (6.2)
R0 R0 R0 R0
Выходное напряжение ЦАП определяется суммой:
U U (K0 K1 K2 K3)U
вых оп оп R1 (z0 2z1 4z2 8z3) , (6.3)
R0
где Z0-Z3— числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положения соответствующих ключей.
Таким образом, четырехразрядный двоичный код преобразуется в уровень Uвых в диапазоне от 0 до 15∆U, где ∆U—шаг квантования. Для уменьшения погрешности квантования необходимо увеличивать число двоичных разрядов ЦАП. На рис. 6.1, б приведено условное обозначение ЦАП.
Приведенная на рис. 6.1, а схема ЦАП имеет по крайней мере два недостатка. Во-первых, к резисторам старших разрядов предъявляются жесткие требования по точности и стабильности, так как отклонение проводимости резистора старшего разряда от номинального значения не должно превышать проводимости резистора младшего разряда R0. Во-вторых, нагрузка источника Uоп,изменяется в зависимости от положения ключей, что требует применения источника с малым внутренним сопротивлением для ослабления влияния этого сопротивления на Uоп при разных токах нагрузки.
а
Рис. 6.1. Схема (а) и условное обозначение ЦАП (б)
От перечисленных недостатков свободна схема ЦАП, показанная на рис. 6.2. В ней используют трехпозиционные ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу суммирования операционного усилителя, либо к нулевой точке. При этом токи через резисторы Rне изменяются.
Резисторы соединены в матрицу типа R—2R, имеющую постоянное входное сопротивление со стороны источника Uoп, равное Rнезависимо от положения ключей. Коэффициент передачи напряжения между соседними узловыми точками матрицы равен 0,5. Для схемы (см. рис. 6.2) выходное напряжение ЦАП определяется выражением:
U U
вых оп R1 (z0 2z1 4z2 8z3). (6.4)
16R
Рис. 6.2. Схема ЦАП с матрицей резисторов типа R – 2R и трехпозиционными ключами
Матрицы резисторов типа R—2R выпускаются в виде интегральных микросхем, например серии 301 (матрицы 301НР3 — 301НР6),а ключи Z выполняют на полевых транзисторах VТ1 и VТ2 (рис. 6.3).
R
Рис. 6.3. Схема ЦАП с МОП-ключами
Преобразователи аналоговых величин в цифровые
АЦП — устройство, принимающее входные аналоговые сигналы и выдающее на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т. е. АЦП дает представление аналоговой величины в код. Существует большое число АЦП, отличающихся схемной конфигурацией, используемыми элементами, последовательностью выполнения операций, конструктивными и технологическими особенностями.
В основе классификации АЦП лежит принцип развертывания во времени процесса преобразования аналоговой величины в цифровую.
Рассмотрим 2 классических метода преобразования.
1. Метод последовательного счета или последовательный АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением.
Схема такого АЦП и временная диаграмма, поясняющая работу преобразователя, показана на рис. 6.4.
По запускающему импульсу счетчик СТ2переходит в нулевое состояние, а триггер Тдает разрешение на проход счетных импульсов с генератора Гчерез ключ К1. Счетчик считает импульсы, поступившие ему на вход, а на выходе появляются кодовые комбинации, соответствующие числу сосчитанных импульсов. ПКН — преобразователь кода в напряжение (ЦАП) формирует на выходе напряжение Uос, пропорциональное коду.
При равенстве Uос измеряемой величине напряжения Uх, компаратор срабатывает и своим выходным сигналом переводит триггер в нулевое состояние. Этим самым прекращается поступление счетных импульсов на счетчик и осуществляется считывание выходного параллельного кода, представляющего цифровой эквивалент измеряемого напряжения в момент окончания преобразования.
Особенности таких АЦП: небольшие частоты дискретизации (несколько килогерц); малые статические погрешности порядка шага квантования 10—12 разрядных АЦП; простота построения.
Область применения — цифровые вольтметры постоянного тока, цифровые системы, предназначенные для работы с постоянными и медленно изменяющимися напряжениями.
2. Метод поразрядного кодирования или АЦП последовательных приближений (рис. 6.5).
В основе работы преобразователей такого типа лежит принцип последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. от возможного максимального значения ее. Уравновешивание входной величины начинается с эталона, имеющего максимальное значение. Компаратор выполняет сравнение этого эталонного напряжения с измеряемым Uх. В зависимости от результата сравнения определяется цифра («1» или «0») в старшем п разряде: если Uх>Uэт, то в старшем разряде ставится «0», если Uх<Uэт,то в старшем разряде — «1».
Выходной код
а Q1 Q2 Qn
б б Компаратор
Рис. 6.4. Схема АЦП последовательного счета (а) и временная диаграмма его работы (б)
Далее производится уравновешивание входной величины со следующим эталоном, меньше предыдущего в 2 раза, причем, если напряжение Uэт осталось от первого уравновешивания, то Uхсравнивается
Uэт на втором этапе с суммой эталонных напряжений: Uэт и результат 2
сравнения отражается на цифре п-1 разряда. Аналогичные действия производятся для всех используемых эталонов. Схема реализации этого метода и временная диаграмма его показаны на рис. 6.5.
Этот метод поразрядного кодирования позволяет за число разрядов кодовой комбинации (последовательных шагов приближения) выполнить весь процесс преобразования вместо 2n-1 шагов приближения при использовании единичных итераций. Это позволяет получить существенный выигрыш в быстродействии (при n = 10 выигрыш в быстродействии достигает двух порядков). Статическая погрешность таких АЦП невелика, что позволяет реализовать АЦП на 16 двоичных разрядов. а б
код
Рис. 6.5. Схема АЦП поразрядного кодирования (а) и временная диаграмма его работы (б)
Область применения: для построения цифровых измерительных приборов и при работе совместно с устройством выборки и запоминания в различных областях цифровой обработки быстро изменяющихся сигналов и процессов.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие виды преобразователей существуют и для чего?
2. Какими параметрами характеризуются преобразователи информации?
3. По каким схемам строятся ЦАП?
4. Какие параметры ЦАП определяют дискретность изменения Uвых?
5. Как классифицируют АЦП?
6. Какие узлы входят в схему АЦП?
7. Какие узлы входят в состав схемы АЦП поразрядного кодирования?
8. Из каких узлов состоит схема параллельного АЦП? 9. Дайте сравнительную характеристику параметров рассматриваемых АЦП?
Дата добавления: 2021-04-21; просмотров: 145;
