Тема 6.3 Цифро-аналогові та аналогово-цифрові перетворювачі

Широке використання мікропроцесорної та комп'ютерної техніки в системах автоматичного керування та управління технологічними процесами вимагає наявності пристроїв перетворення інформації. Сигнали керування формуються відповідними аналоговими рівнями напруг, а оброблення інформації здійснюється в цифровій формі у двійковій системі числення.

Одиниця цифрової інформації – один біт – це однорозрядне двійкове число, яке приймає значення 1 (наявність інформації) або 0 (відсутність інформації). Сукупність бітів складає слово, яке й обробляється цифровим пристроєм. Довжина слова даних є фіксована й характеризується розрядністю, що визначається кількістю біт у слові. Типовими є слова довжиною 4, 8, 12 і 16 розрядів. Восьмибіове слово називають байтом.

Наприклад, структура 16-бітового двійкового слова має такий вигляд, як показано на рис.6.3:

Рисунок 6.3 – Формування двійкового слова

 

Поділ слова на байти дає змогу подану двійковим словом інформацію записати в іншій системі числення, наприклад, шістнадцятковій. Запис числа у різних системах подано у табл.6.1.

Саме тому, на практиці виділяють два типи перетворювачів інформації – аналого-цифрові перетворювачі (АЦП) і цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП).

 

 

Таблиця 6.1

 

АЦП реалізують за різними принципами роботи. Основним моментом є квантування сигналу, тобто представлення аналогової величини через її дискретні значення (рис.6.4), а потім запис в двійковій системі числення. Для більшої адекватності квантування час дискретизації вибирають найменшим.

Рисунок 6.4 – Представлення аналогового сигналу його дискретними значеннями

 

Найпоширеніший АЦП, фунційна схема якого містить компаратор, цифровой автомат (ЦА)і мікросхему ЦАП, зображено на рис.6.5.

Під час запуску схеми ЦА виробляє послідовність цифр у двійковому коді, які подаються на вхід ЦАП, вихідний сигнал якого змінюється відповідно. Значення цього сигналу порівнюється компаратором із аналоговим сигналом u _вх , який подається на другий вхід компаратора. Якщо ці напруги однакові, компаратор видає сигнал на зупинку ЦА, на виході якого фіксується значення вхідного сигналу в двійковому коді запису.

Рисунок 6.5 – Функційна схема АЦП

 

Основними компонентами ЦАП, є матриця опорів, пристрій вводу-виводу і операційний підсилювач. На рис.6.6 зображено схему простого ЦАП, який перетворює вхідну цифрову інформацію в аналоговий сигнал на основі зміни коефіцієнта підсилення ОП. Входи такого ЦАП відповідають чотирозрядному числу 2 ⁰ , 2 ¹ , 2 ² , 2 ³ і для кожного входу отримуємо коефіцієнт передачі

К ₀ = R ₁ / R ; К ₁ = 2 R ₁ / R ; К ₂ = 4 R ₁ / R ; К ₃ = 8 R ₁ / R;

На входи ОП подається опорна напруга U_оп через ключі S ₀ … S ₃ і залежно від їх положення (замкнені чи розімкнені) визначається напруга на виході підсилювача

U _вих = - U _оп (К ₀ + К₁ + К₂ + К₃) = - U _оп R ₁ / R ( S ₀ + S ₁ + S ₂ + S ₃ ).

Рисунок 6.6 – Схема простого ЦАП із матрицею опорів

 

Безперечно, для зменшення похибки перетворення необхідно збільшувати розрядність входу ЦАП. Величину U _оп R ₁ / R називають напругою, що відповідає «вазі» наймолодшого розряду.

В даний час ЦАП випускаються як мікросхеми серії 301НР3 -301НР6 з коефіцієнтом поділу 1/2048 (рис.6.7).

Рисунок 6.7 – Мікросхема ЦАП (а) і її графічне позначення (б)

 

Приклади до розділу

Задача 6.1. Визначити значення аналогового сигналу на виході ЦАП, якщо на його вхід подається восьмирозрядне слово 11001011. Опорна напруга дорівнює    U_оп = 10 B.

Розв'язок: Для визначення значення вихідної напруги використаємо поданий

          n

 вираз U _оп = ∑ S_i U _оп / 2 ⁱ .

               i=1

U _вих = 1∙(10 / 2 ¹ ) + 1∙(10 / 2 ² ) +0 ∙(10 / 2 ³ ) +0 ∙(10 / 2 ⁴ ) + 1∙(10 / 2 ⁵ ) +0 ∙(10 / 2 ⁶ ) + 1∙(10 / 2 ⁷ ) + 1∙(10 / 2 ⁸ )=7,93 B.

Задача 6.2. Визначити необхідну величину опорної напруги U _оп в схемі чотирирозрядного ЦАП з умови максимальної напруги на виході ОП U _{вих.макс} = 10 В. Опір резистора в ланці зворотного зв'язку R = 10 кОм, а опір елемента матриці опор в R ₁ = 30 кОм.

Розв'язок: Максимальна напруга  на виході ЦАП буде за умови, коли всі ключі матриці опорів будуть замкнені. Тобто, використовуючи вираз для вихідної напруги ЦАП, отримаємо U _{вих.макс} = (15 R ₁ / R ) U _оп .

Звідки знаходимо | U_оп | = ( R / 15 R ₁ ) U _{вих.макс} = 30∙10³∙10/15∙10∙10³ = 2 В

Запитання для самоперевірки

1 Як називається одиниця інформації?

2 В якій формі подається цифрова інформація?

3 Назвіть основні системи числення, що використовуються в цифовій техниці.

4 Чим визначається розрядність слова?

5 Поясніть необхідність використання перетворювачів інформації.

6 Які є основні види перетворювачів інформації?

7 Назвіть основні компоненти схем перетворювачів інформації.

8 Для чого потрібно квантувати аналоговий сигнал?

9 Поясніть роботу АЦП.

10 Чим визначається розрядність числа в ЦАП?

11 Поясніть принцип роботи ЦАП.

12 Чим визначається похибка перетворювачів інформації?

13 Поясніть роботу цифрового компаратора.

14 Чим визначається розрядність в цифрових компараторах?

 

⇐ Предыдущая9101112131415161718Следующая ⇒

Поделиться: