Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 21Следующая ⇒

Цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются неотъемлемой частью автоматических систем контроля, управления и регулирования. Кроме того, поскольку подавляющее большинство измеряемых физических величин являются аналоговыми, а их обработка, индикация и регистрация, как правило, осуществляются цифровыми методами, ЦАП и АЦП нашли широкое применение в автоматических средствах измерений. Так, ЦАП и АЦП входят в состав цифровых измерительных приборов (вольтметров, осциллографов, анализаторов спектра и т.п.), программируемых источников питания, дисплеев на электроннолучевых трубках, графопостроителей, радиолокационных систем, установок для контроля элементов и микросхем, являются важными компонентами различных преобразователей и генераторов, устройств ввода-вывода информации ЭВМ. Широкие перспективы применения ЦАП и АЦП открываются в телеметрии и телевидении. Серийный выпуск малогабаритных и относительно дешевых ЦАП и АЦП даёт возможность еще более широкого использования методов дискретно-непрерывного преобразования в науке и технике.

Существует три разновидности конструктивно-технологического исполнения ЦАП и АЦП: модульное, гибридное и интегральное. При этом доля производства интегральных схем (ИС) ЦАП и АЦП в общем объёме их выпуска непрерывно возрастает, чему в значительной степени способствует широкое распространение микропроцессоров и методов цифровой обработки данных.

Основные понятия

ЦАП — устройство, которое создает на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток), пропорциональный входному цифровому сигналу. При этом значение выходного сигнала зависит от значения опорного напряжения U_ОП, определяющего полную шкалу выходного сигнала. Если в качестве опорного напряжения использовать какой-либо аналоговый сигнал, то выходной сигнал ЦАП будет пропорционален произведению входных цифрового и аналогового опорного сигналов.

В АЦП цифровой код на выходе определяется отношением преобразуемого входного аналогового сигнала к опорному напряжению U_ОП, соответствующему полной шкале. Это соотношение выполняется и в том случае, если опорный сигнал изменяется по какому-либо закону. АЦП можно рассматривать как измеритель отношений или делитель напряжений с цифровым выходом.

Электрические сигналы на входах и выходах ЦАП и АЦП можно обозначить следующим образом: цифровой входной (выходной) код N_BX(N_ВЫХ), аналоговый выходной (входной) сигнал АС_ВЫХ(АС_ВХ), напряжение источника питания Uип, сигналы управления (строб-импульс, запуск АЦП), опорное напряжение U_ОП (рис.5.1). Кроме того, как правило, для обеспечения требуемой помехоустойчивости выводятся две земляные шины: аналоговая земля (A3) и цифровая земля (ЦЗ).

Рис.5.1. Типовые входные и выходные сигналы ЦАП иАЦП

Рассмотрим основные характеристики этих сигналов. На выходе ЦАП аналоговый сигнал формируется в форме либо напряжения, либо тока. Обычно ЦАП с выходным сигналом в виде тока (токовый выход) имеют более высокое быстродействие по сравнению с ЦАП, имеющими выходной сигнал в виде напряжения (потенциальный выход), поскольку используемый в этих ЦАП и выполненный на основе операционного усилителя (ОУ) преобразователь тока в напряжение вносит дополнительную инерционность.

ЦАП с потенциальным выходом различают по уровням выходного напряжения. При этом широко распространены унифицированные значения 2, 5; 5; 10; 10, 24 и 20 В. Наиболее часто встречается значение 10, 24 В, которое наиболее удобно при двоичном кодированиипоскольку в этом случае значения аналоговых сигналов, соответствующих разрядам преобразователя, описываются простыми цифрами. Так, например, для 10-разрядного ЦАП значение младшего разряда равно 10, 0 мВ при шкале 10, 24 В.

ЦАП с токовым выходом обычно обеспечивают следующие значения выходного тока: 1; 1, 2; 1, 5; 2, 4; 5, 0 и 10 мА.

В прямом двоичном коде старший разряд имеет вес 1/2=2^-1 от значения полной шкалы. Следующий за старшим разряд имеет вес 1/4=2^-2, и так далее, вплоть до младшего разряда с весом 1/2ⁿ, где п— число разрядов преобразователя. Сумма всех разрядов определяет значение полной шкалы преобразователя.

Для определения зависимости входных и выходных сигналов применительно к ЦАП и АЦП с двоичным кодированием удобно оперировать дробным двоичным числом, которое может быть представлено как

Такая система счисления для преобразователей удобна, поскольку весь диапазон преобразователя условно принимается равным единице, а значение двоичного числа, зависящее от конкретной кодовой комбинации, определяется значением правильной дроби. В этом случае старший (1-й) разряд равен половине полной шкалы, 2-й разряд — четверти полной шкалы и т.д. Самый младший, n-й разряд составляет 1/2ⁿ значения полной шкалы.

Пример. Для двоичного кода 1101 дробное кодовое число N имеет значение (1 х 0, 5) + (1 х 0, 25) + (0 х 0, 125) + (1 х 0, 0625) = 0, 8125

Для ЦАП с пдвоичными разрядами в идеальном случае (при отсутствии погрешностей преобразования) аналоговый выход U_ВЫХ соотносится с входным двоичным числом следующим образом:

где U_ОП– опорное напряжение ЦАП (от встроенного или внешнего источника).

Так как

то выходное напряжение ЦАП при всех включённых разрядах называется напряжениемполной шкалы и определяется соотношением:

Таким образом, при включении всех разрядов выходное напряжение ЦАП (U_П.Ш) отличается от значения опорного напряжения на значение младшего разряда

Выходное напряжение ЦАП при включении какого-либо i-го разряда определяется соотношением:

Пример. Если во всех разрядах входного кода ЦАП a_i=1 (т.е. все разряды включены), то значение аналогового сигнала на его выходе будет меньше значения полной шкалы на значение  , определяемой весом младшего разряда. Так, например, для 4-разрядного ЦАП со значением полной шкалы 10 В при всех включённых на входе разрядах (код 1111) значение аналогового сигнала на выходе ЦАП будет (1 х 0, 5 х10) + +(1 х 0, 25 х 10) + (1 х 0, 125 х 10) + (1 х 0, 0625 х 10) = 9, 375 В. Вес младшего разряда при этом равен  = 10 /2⁴=0, 625 В.

Большинству типов АЦП (за исключением тех, которые осуществляют преобразование в непрерывном режиме) при выполнении преобразования требуется определенный отрезок времени для установления выходного сигнала. Поэтому если производить опрос АЦП в этот промежуток времени, то будет получена ошибочная информация. Для исключения этого в АЦП предусмотрена специальная схема, формирующая выходной управляющий сигнал «Состояние» или «Готов», которая меняет свое состояние каждый раз по окончании цикла преобразования. Этот сигнал можно использовать для запрещения преждевременного считывания и для предотвращения повторного запуска преобразователя до завершения предшествующего цикла преобразования.

ЦАП, как правило, постоянно отслеживает текущее значение входных цифровых сигналов. В случае, когда необходимо отделить основную схему преобразователя от источника цифровой информации, на входе ЦАП ставят буферный регистр, в который записывают цифровую информацию только при наличии разрешающего сигнала «строб-импульс».

⇐ Предыдущая 10 11 12 13 141516 17 18 19 Следующая ⇒