Цифроаналоговые и аналого-цифровые

Преобразователи

Рассмотренные в седьмой главе устройства микроэлектроники предназначены для обработки информации в цифровой форме, которая в настоящее время нашла широкое распространение, в частности в системах управления и измерения. Однако, как правило, первичная информация об измеряемых и управляемых объектах представляется в аналоговой форме (например, температура, напряжение, давление, длина). Кроме того, большинство исполнительных устройств, с помощью которых обеспечивается непосредственное регулирование состояния объекта, управляется при непрерывном изменении параметров их режимов (например, ток электромагнита или нагревателя). В связи с этим возникают задачи преобразования информации из аналоговой формы в цифровую и, наоборот, для решения которых используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), выполняемые в виде микросхем.

На рис. 7.43.а представлена схема ЦАП, использующая инвертирующий сумматор на ОУ. К объединенному входу сумматора подведено напряжение от источника Е_оп. Последовательно с каждым резистором R_i входной цепи установлен электронный ключ. Число резисторов R_i равно n - числу разрядов преобразуемой цифровой информации (для схем рис. 7.43 n = 4). Сопротивление этих резисторов таково, что выполняется условие

R_i = 2^{(n - i + 1)} ∙ R,

где i – номер резистора, соответствующего i-му разряду числа, а R – сопротивление резистора, соответствующее старшему разряду числа. Каждый ключ схемы управляется информацией, поступающей с одного из входов преобразователя. При логической “1” на входе преобразователя ключ замкнут, Q_i = 1; при “0” – ключ разомкнут, Q_i = 0.

а

б

Рис.3.40. Схема цифроаналогового преобразователя

Важным параметром ЦАП является также погрешность, определяемая как максимальное отклонение величины выходного напряжения, задаваемого входной информацией, от номинального значения во всем диапазоне преобразования. Величина этого параметра во многом зависит от того, насколько действительные величины сопротивления резисторов отличаются от номиналов. Рассмотренная схема ЦАП на рис. 7.43.а проста, но обеспечивает необходимую погрешность. Это объясняется использованием в схеме резисторов с существенно отличающимися величинами сопротивлений, которые имеют технологический разброс, свойственный серийному производству. Очевидно, увеличение разрешающей способности ЦАП требует использования резисторов с более существенным различием величин сопротивлений с меньшим разбросом этих величин.

Меньшую погрешность обеспечивает схема ЦАП, приведенная на рис. 7.43.б, в которой используются резисторы только с двумя значениями сопротивлений вне зависимости от числа дискретов. Причем значения отличаются всего в два раза.

Напряжение на выходе схемы рис. 7.41.б, для которого n = 4, определяется соотношением (4.13), где аналогом входных являются напряжения, снимаемые с точек a, b, c и d и обозначенные как U_a, U_b, U_c и U_d. При замыкании ключей на «землю» сопротивление между любой из этих точек и «землей» равно 0,5. Поэтому величины напряжений U_a, U_b, U_c и U_d связаны между собой как

Поскольку U_d = Е_оп, U_c = Е_оп, U_b = Е_оп, U_а = Е_оп. Подстановка этих соотношений в (4.13) дает выражение, совпадающее с (7.16). Следовательно, принцип действия ключей в схеме рис. 7.43.б такой цепи, как и в схеме рис. 7.43.а.

Напряжение на выходе преобразователя при n = 4 равно

u_вых = - Е_оп R_ос (Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ ) =

= - Е_оп (Q₁ ∙ 2⁰ + Q₂ ∙ 2¹+ Q₃ ∙ 2² + Q₄ ∙ 2³). (7.16)

Сумма в скобках этого соотношения является представлением числа в двоичной системе счисления. Таким образом, уровень выходного напряжения, т.е. аналоговая величина, однозначно определяется тем, в каком состоянии находится каждый ключ, т.е. от входной информации в двоичной форме. Очевидно, данные на выходе преобразователя имеют дискретный характер. Так, в рассмотренном случае при n = 4 величина входного напряжения может принимать одно из 15 дискретных значений. Для уменьшения интервала между соседними дискретами, т.е. для повышения разрешающей способности ЦАП необходимо увеличивать число двоичных разрядов.

Структурная схема наиболее распространенного построения АЦП представлена на рис. 7.44. В ее состав входят мультивибратор (МВ), вырабатывающий тактовые импульсы, реверсивный счетчик импульсов, ЦАП и компаратор (К). Счетчик работает на сложение при подаче на его вход управления “+” логической “1” и на вычитание – при подаче на этот вход логического “0”.

Рисунок 7.44. Схема аналого-цифрового преобразователя

Входная аналоговая информация, подлежащая преобразованию в цифровую, в виде напряжения u_вх подается на один из входов компаратора. На второй его вход поступают дискретные значения напряжения с ЦАП. В момент включения преобразователя счетчик (в рассматриваемом случае четырехразрядный) обнулен, так что на выводах Q₁, Q₂, Q₃ и Q₄ – логические «0» и на выходе ЦАП напряжение u_с = 0. Если входное напряжение подается на неинвертирующий вход ОУ компаратора, а напряжение с выхода ЦАП – на инвертирующий, то при u_вх > u_с на выходе компаратора напряжение будет положительным. Оно поступает через диод Д на вход управления реверсивного счетчика и воспринимается им как логическая “1”. Счетчик работает на сложение, и с каждым тактовым импульсом, поступающим от мультивибратора (МВ), напряжение на выходе ЦАП будет увеличиваться. Одновременно увеличивается число импульсов, регистрируемых на выходах счетчика. Увеличение напряжения u_с и показания счетчика будут продолжаться до тех пор, пока напряжение на выходе ЦАП не превысит напряжение u_вх. При u_с > u_вх напряжение на выходе компаратора становится отрицательным, и из-за наличия диода на входе управления “+” будет логический “0”.Счетчик начнет вычитать импульсы, так что показания числа импульсов будут уменьшаться.

Если входное напряжение u_вх во времени не изменяется, в схеме АЦП устанавливается режим, при котором на выходах счетчика Q₁, Q₂, Q₃, Q₄ в такт выработанных импульсов чередуются числовые данные то больше, то меньше величины напряжения u_вх. Если входное напряжение в течение времени изменяется, то и показания счетчика будут изменяться вслед за изменением входного напряжения. Процессы ввода в режим АЦП и отслеживания изменяющейся аналоговой величины показаниями счетчика схематически отражены на рис. 7.45. Следовательно, показания реверсивного счетчика и являются результатом преобразования аналоговой информации в цифровую, т.е. выходная информация АЦП снимается с выходных клемм счетчика.

Рисунок 7.45. Временная диаграмма, иллюстрирующая работу

аналого-цифрового преобразователя

Очевидно, что при изменении во времени аналоговой информации имеет место запаздывание появления результатов преобразования на выходах счетчика. С этим связано ограничение на скорость изменения аналоговой информации, которая отслеживается ЦАП. Для уменьшения времени запаздывания следует увеличивать частоту тактовых импульсов.