Преобразователи ЦАП и АЦП

В большинстве случаев получаемый непосредственно от источника информации сигнал представлен в форме непрерывно меняющегося по значению напряжения либо тока. Таков, в частности, харак­тер электрического сигнала, соответствующего телефонным, телевизи­онным и другим видам сообщений. Для передачи таких сообщений по линии связи или для их обработки могут быть использованы две формы: аналоговая или цифровая. Аналоговая форма предусматривает оперирование всеми значениями сигнала, цифровая форма — отдельными его значениями, представлен­ными в форме кодовых комбинаций.

Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую выпол­няется в устройстве, называемом аналого-цифровым преобразователем (АЦП). В преобразователе сигналов из аналоговой формы в цифровую можно выделить следующие процессы: дискретизацию, квантование, кодирование.

Преобразова­ние в цифровую форму осуществляет­ся над сигналом, представленным в форме меняющегося во времени на­пряжения. Процесс дискретизации заклю­чается в том, что из непрерывного во времени сигнала выбираются отдель­ные его значения, соответствующие моментам времени, следующим через определенный временной интервал Т. Интер­вал Т называется тактовым интервалом времени, а моменты t₀,t₁,…, в которые берутся отсчеты, — тактовыми моментами времени.

Дискретные значения сигнала следует отсчитывать с таким малым тактовым интервалом T, чтобы по ним можно было бы восстановить сигнал в аналоговой форме с требуемой точностью.

Операция квантования- смысл состоит в округлении значений аналогового напряжения, выбранных в тактовые моменты времени. Как и всякое округление, процесс квантования приводит к погрешности (к ошибкам квантова­ния) в представлении дискретных значений напряжения, создавая так называемый шум квантования. Кодирование- смысл состоит в следующем: округление значения напряжения, осуществляемое при операции кван­тования, позволяет эти значения представлять числами - номерами соответствующих уровней квантования.

По своей структуре схемы АЦП делятся на два типа: схемы, содер­жащие цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), и схемы, не содержа­щие ЦАП.

АЦП с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал: Очередным тактовым импуль­сом счетчик сбрасывается в нулевое состояние и одновременно запуска­ется генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Выходное напряжение ГЛИН поступает на входы компараторов К₁ и К₂, на другие входы которых подаются соответственно нулевое напряжение и подлежащее преобразованию в числовую форму напряжение U_вх на входе схемы (Вх). В момент времени, когда линейно изменяющееся напряжение, нарастая от небольших отрицательных значений, прохо­дит нулевое значение, выдает импульс первый компаратор. Этим им­пульсом триггер устанавливается в состояние 1. В момент, когда линейно изменяющееся напряжение достигает значения U_вх, выдается импульс вторым компаратором. Этим импульсом триггер возвращается в состояние 0. В течение времени Т с выхода триггера подается высокое напряжение на вход элемента И, и импульсы генератора импульсной последователь­ности (ТИП) проходят через элемент на вход счетчика (Сч). Очевидно, устанавливающееся в счетчике число пропорционально Т, а следова­тельно, и U_вх.

Для получения нового отсчета напряжения следует вновь подать импульс запуска. Таким образом, импульсы запуска должны следовать с частотой дискретизации входного напряжения.

АЦП с двойным интегрированием: не исполь­зуется ЦАП, который для своего построения требует применения резис­торной матрицы с высокоточными значениями сопротивлений..

Рассмотрим работу преобразователя. В момент t₀ пода­чей импульса U_п в цепь “Пуск” осуществляется запуск схемы: сбрасыва­ется в 0 счетчик (Сч), первый ключ (Кл1) устанавливается в замкнутое состояние, второй ключ (Кл2) — в разомкнутое.

Предварительно разряженный конденсатор С начинает заряжать­ся током от источника входного напряжения U_вх. Так как входное напряжение операционного усилителя (ОУ) близко к нулю, практи­чески все напряжение U_вх падает на резисторе R₁ и ток в цепи резис­тора I_зар=U_вх/R₁. Этот ток замыкается через конденсатор С. Если за время длительности импульса U_п значение напряжения U_вх считать неизменным, конденсатор будет заряжаться постоянным током и напряжение на нем будет изменяться по линейному закону, достигая к моменту t2 значения

В момент окончания импульса на входе “Пуск” (в момент t1) счетчик начинает счет импульсов, поступающих в него из генератора импульсной последовательности (ГИ) через элемент И. В этот же момент ключ Кл1 устанавливается в разомкнутое состояние, ключ Кл2 — в замкнутое. В цепи конденсатора возникает ток обратного направления Iзар=U_оп/R2. Конденсатор разряжается постоянным током Iраз, и напряжение на нем снижается по линейному закону. В момент t2 напряжение на конденса­торе Uс и напряжение на выходе операционного усилителя U_оу = -Uc проходят нулевое значение, на выходе компаратора (К) устанавливается уровень лог.0, прекращается прохождение импульсов ГИ через элемент И на вход счетчика (Сч). Образующееся к этому моменту в Сч число N есть значение U_вх, представленное в цифровой форме.

Аналого-цифровой преобразователь последовательного счета:

Тактовым импульсом (ТИ) счетчик (Сч) сбрасывается в нулевое состо­яние. Нулевое напряжение U_цап = 0 возникает на выходе ЦАП, преоб­разующего числа в счетчике в пропорциональное напряжение. Устанавливается неравенство U_вх>U_цап, при котором компаратор (К) подает на вход элемента И уровень лог.1. При этом импульсы генератора импульсной последовательности (ГИ) проходят через элемент И на вход счетчика. Каждый поступивший на вход счетчика импульс вызывает увеличение на единицу хранившегося в нем числа, на одну элементар­ную ступеньку возрастает напряжение на выходе ЦАП. Таким образом, напряжение U_цап растет по ступенчатому закону. В момент времени, когда U_цап достигает значения, превышаю­щего U_вх, компаратор выдает уровень лог.0, и в дальнейшем прекраща­ется доступ импульсов генератора в счетчик. Полученное к этому моменту времени в счетчике число пропорционально напряжению U_вх.

Из-за того, что в АЦП рассматриваемого типа не используется генера­тор линейно изменяющегося напряжения, его аппаратурные погрешности меньше, чем могут быть в АЦП с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) построены по принципу суммирования напряжений или токов, пропорцио­нальных весовым коэффициентам двоичного кода.

Схема ЦАП с суммированием напряжений: триггеры 1 ... n образуют регистр, в который помещаются двоичные числа, предназначенные для перевода в пропорциональные им значения напряжения на выходе. Напряжения с выходов триггеров пере­даются на выход ЦАП через операцион­ный усилитель (ОУ), работающий в режиме взвешенного суммирования на­пряжений (аналогового сумматора). Для каждого триггера предусматривается от­дельный вход в сумматоре с коэффициен­том передачи

Напряжение с выхода триггера n-го разряда переда­ется на выход усилителя с коэффициентом передачи: ; этот коэффициент для (n - 1)-го разряда . Если в состоянии 1 находятся одновременно триггеры нескольких разрядов, то напряжение на выходе усилителя равно сумме напряже­ний, передаваемых на этот выход от отдельных разрядов двоичного числа в регистре: a_n, a_n-1 …, a₁. Тогда напряжение на выходе усилителя U_вых= Здесь N — десятичное значение двоичного числа, введенного в ре­гистр. Напряжение на выходе ЦАП пропорционально числу в регистре. Рассмотрим работу ЦАП в случае, когда на триггерах 1... л построен двоичный счетчик. Если подать на вход этого счетчика последователь­ность импульсов, то с приходом каж­дого очередного импульса число в счетчике будет увеличиваться на еди­ницу и напряжение на выходе ЦАП будет возрастать на ступеньку, соот­ветствующую единице младшего разря­да счетчика. Таким образом, напряжение на выходе ЦАП будет иметь ступенчатую форму.

Схема ЦАП с суммированием токов: вместо источника стабильного напряжения Е в данной схеме используются источники стабильного тока I. Если триггер находится в состоянии 1, ток I источника через открытый ключ втекает в резистор­ную матрицу, если триггер в состоянии 0, то открывается другой ключ, который замыкает источник.