преобразователи

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – функциональный узел, однозначно преобразующий кодовые комбинации цифрового сигнала в значения аналогового сигнала. Основой для нахождения однозначного соответствия может служить напряжение на выходе ЦАП

U_вых = E₀(x₁·2^-1+ x₂·2^-2+¼+ x_n·2^-n) , (3.1)

где E₀ – опорное напряжение; X{x₁,x₂, ¼,x_n} – цифровой код; x_i принимают значения 0 и 1.

При определении E₀ каждому X_i на выходе устройства соответствует напряжение U_выхi.

В цифро-аналоговых преобразователях используют три основных двоичных кода: прямой, смещённый, дополнительный. Графики соответствия цифровых кодов X_вх и аналогового напряжения U_вых при прямом (а), смещённом (б) и дополнительном (в) кодах показаны на рис. 3.72.

Наиболее просто определяется соответствие цифровых и аналоговых величин при прямом коде. Этот код удобен при преобразовании сигналов следящих систем, так как при переходе через нуль не меняются старшие разряды кода, что позволяет реализовать линейный переход от малых положительных к малым отрицательным выходным напряжениям. Для преобразования как положительных, так и отрицательных кодов используют знаковый разряд, который управляет переключением выходного напряжения ЦАП.

Для исключения коммутирующих элементов из схемы ЦАП используют смещённый код, являющийся наиболее простым для реализации в схеме преобразователя.

При применении дополнительного кода положительные числа преобразуются так же, как для прямого кода, а отрицательные – двоичным дополнением соответствующего положительного числа (инверсия всех разрядов с последующим дополнением единицы в младший разряд).

Из таблице, соответствующей рис. 3.72, видно, что прямой код даёт возможность использовать в два раза большее разрешение по сравнению со смещённым и дополнительным кодами.

Базовая схема ЦАП, реализующего выражение (3.1), показанная на рис. 3.73,а, содержит источник опорного напряжения E₀, матрицы двоично-весовых резисторов, набор ключей и дифференциальный операционный усилитель. Основные недостатки этой схемы определяются необходимостью применения резисторов с большим диапазоном номиналов, например 1R – 1024R для 10-разрядного ЦАП.

а)

R_ос=R·2^-1

x₁

U_вых

x₂

x₃

x_n

Е₀

б) R R a R R_ос

U_вых

Е₀

x x_n x_n-1 x_n-1 x₁ x₁

x_вх

Рис. 3.73. Схема ЦАП с двоично-взвешенными сопротивлениями (а)

ЦАП и на основе резистивной (лестничной) матрицы R-2R (б)

Рациональным способом уменьшения количества номиналов резисторов является использование резистивной (лестничной) матрицы R – 2R, изображённой на рис. 3.73,б. Выражение (3.1) реализуется схемой ЦАП (рис. 3.73,а) непосредственно, так как соотношение R_ос/R_i равно весу соответствующего x_i. Схема ЦАП на основе матрицы R – 2R также реализует выражение (3.1). Так как потенциал суммирующей точки операционного усилителя равен нулю, то, анализируя эквивалентную схему, изображённую на рис. 3.74,а, можно записать для точки а

U_а=E₀·x₁·K₁+ E₀·x₂·K₂+¼+ E₀·x_n·K_n ,

где K_i – коэффициент передачи E₀ в точку a от разряда цифрового кола с соответствующим индексом.

Значения коэффициентов можно определить, изменяя конфигурацию эквивалентной схемы, при условии равенства единице только одного разряда цифрового кода. На рис. 3.74,б приведены эти изменения для четырёх

а) R R R a

2R 2R 2R 2R 2R 2R

Е₀x_n E₀x_n-1 E₀x₂ E₀x₁

б)

E₀ E₀ E₀

2R 2R 2R

a a a R R

1/3 1/3 1/3

2R 2R R 2R R 2R 2R

x_вх=100…0 x_вх=010…0 x_вх001…0

E₀

a R R R

1/3

R 2R 2R

X_вх=000…1

Рис. 3.74 Схемы резистивной (лестничной) матрицы R-2R

разрядов: трёх старших и одного младшего. Из рисунка следует, что

K₁=1/3; K₂=(1/3) ·2^-1; K₃=(1/3) ·2^-2; ¼; K_n=(1/3) ·2^-n (3.2)

Из (3.1) и (3.2) получим

U_a=(1/3) ·E₀·(x₁·2^-1+ x₂·2^-2+ x₃·2^-3+¼+ x_n·2^-n).

Практическую реализацию многоразрядных схем ЦАП рационально проводить на основе микросхем, содержащих основные блоки ЦАП в одном корпусе. На рис. 3.75 приведена принципиальная схема 12-разрядного ЦАП на микросхеме 596ПА1, содержащей резистивную матрицу и токовые ключи. Для уменьшения погрешностей от входных токов операционного усилителя введён усилитель 544УД2 с большим входным сопротивлением; для компенсации смещения нулевого уровня усилителя 544УД2 введён канал МДМ-типа. Операционный усилитель 140УД13 является модулятором, а усилитель 153УД6 – демодулятором. ЦАП работает в дополнительном коде в диапазоне напряжений ± 10В. Источники опорного напряжения E₀, как правило, строятся на основе использования полупроводниковых стабилизаторов. На рис. 3.76 приведены схемы источников опорного напряжения: на основе операционного усилителя с параллельной обратной связью (а) и с последовательной обратной связью (б). Отношение сопротивлений R₂/R₁ определяется требуемыми значениями E₀ и U_с.

-15В +5В

11р 07 05

10р 08

9р 09 03 82кОм 02 06

8р 10

7р 11 02

6р 12 10пФ 03 10кОм 5.1кОм

5р 13 1000пФ

4р 14 0,01мкф

3р 15 0,1мкФ02 06 20кОм

2р 16 02 06

1р 17 10кОм 01 07 03 01 20кОм

01 02 51пФ

08 100пФ 08

1000пФ

01 05

23

+E₀(10В) 21 06

Рис. 3.75. Пример схемы ЦАП

При использовании подобных схем необходимо выполнить условие E₀£(U_нас – DU_{с max}), где U_нас – граница динамического диапазона операционного усилителя; U_{с max} – максимальное температурное и временное изменение напряжения стабилизации. Температурная стабильность E₀ в данных схемах определена стабильностью U_с и выходного напряжения операционного усилителя.

а) б) Е₀ R₁ R₂

+E₀ R₂

R_с Rc

E₀

U_c U_c

Рис. 3.76. Схемы источников опорного напряжения

Построение высокоточных (d £ 0,1%) источников опорного напряжения связано с введением в схему реализации E₀ элементов, обеспечивающих температурную и временную стабилизацию тока опорного стабилитрона.

Пример практической реализации рассмотренного решения приведён на рис. 3.77. Здесь в качестве опорного выбран температурно - стабилизированный стабилитрон КС 191Ф; транзисторы 1НТ251 ведены для обеспечения необходимого тока стабилизации при максимальных изменениях температуры окружающей среды ± 50°С и повышенной выходной мощности.

U_ип +15В 6,8кОм 1 3 +E

КС191Ф 510 2

2кОм 270 6,8кОм

02 06 1НТ 51Ом

01 251 КС191

КС191 10кОм 02 06

03 08 51пФ 1НТ251

01

270 51кОм 03 3кОм

08

U_ип +15В

Рис. 3.77. Пример схемы прецизионного источника опорного напряжения

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) решают задачу поиска однозначного соответствия аналоговому сигналу цифрового кода. На вход АЦП поступает аналоговый сигнал и после определённого конечного времени преобразования на его выходе появляется цифровой код.

В настоящее время разработано много различных методов аналого-цифрового преобразования, например, методы последовательного счёта, поразрядного уравновешивания, двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту, параллельного преобразования. Схемы преобразователей, построенных на основе перечисленных методов, могут содержать или не содержать ЦАП.

Схема и график работы АЦП последовательного счёта приведены на рис. 3.78. Как видно из графика, время преобразования этого типа переменное и зависит от входного аналогового сигнала, однако такт работы всего устройства постоянен и равен T_р=T₀·2ⁿ, где T₀ – период генератора опорных импульсов, n-разрядность счётчика и собственно АЦП. Работа такого АЦП не требует синхронизации, что значительно упрощает построение схемы управления. С момента поступления сигнала «Старт» на выходе АЦП с частотой 1/T_р изменяются цифровые коды результата преобразования (частота 1/T_р – параметр, определяющий максимально допустимую частоту отслеживания входного сигнала, например T₀=1 мкс, n=8, f_отс=4 кГц).

а)

U_вх

Старт

			Ргвых

·

· X

·

Запись

б) U_вх U_вх1

U_вх

Т_ср Т_ср t

Т_р Т_р

Рис. 3.78. Структура (а) АЦП последовательного счёта м временная диаграмма его работы (б)

Некоторым усложнением схемы управления, заменой суммирующего счётчика на реверсивный и введением элементов, обеспечивающих его работу, реализуется схема следящего АЦП. Этим достигается значительное сокращение времени преобразования, однако подобные методы рационально использовать в системах с небольшим числом каналов преобразования, так как один АЦП работает на один канал.

В многоканальных системах сбора и обработки данных широко применяют АЦП поразрядного уравновешивания (рис. 3.79,а, где РгСдв и Рг_вых – соответственно регистры сдвига и выхода). Схема управления этого АЦП более сложная по сравнению с АЦП последовательного счёта, но время преобразования значительно меньше. Например, так как T_р=T₀ ·n, то при T₀=1 мкс n=8, T_р=8 мкс и f_отс≈ 100 кГц.

Старт ·

·

X

б)

U_вх,В

2,56

2,24

1,92

Результат

1,28

0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1 1 1 1

0 0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 1 1 1 1 1

0 1 1 1 1 1 1 1

1 1 1 1 1 1 1 1

0 t

Рис. 3.79. Структура АЦП поразрядного уравновешивания (а) и временная диаграмма его работы (б)

Временная диаграмма работы АЦП этого типа приведена на рис. 3.79,б. С момента поступления сигнала «Старт» генератор тактовых сигналов ГТС перемещает единичный сигнал на регистре сдвига РгСдв, с регистра сдвига через схему И единица записывается в регистр выхода, если U_вх>U_{вых ЦАП}. Если U_вх<U_{вых ЦАП}, то в соответствующий разряд регистра выхода записывается ноль, таким образом, формируется цифровой код на выходе АЦП, начиная со старшего разряда.

В АЦП двойного интегрирования используется метод предварительного преобразования напряжения во временной интервал, а затем измерения временного интервала. Преобразователь «напряжение – временной интервал» строится на основе интегратора, так как при постоянном входном напряжении выходное напряжение интегратора – линейная функция времени:

U_вых(t) = –[1/(R·C)] · U_вх(t)dt = –[1/(R·C)] ·U_вх·t

На рис. 3.80 приведены схемы и график работы АЦП двойного интегрирования. На первом этапе преобразования на вход интегратора через входной коммутатор подаётся напряжение U_вх и в течение фиксированного времени T₁ реализуется первое интегрирование, в результате которого на выходе интегратора устанавливается напряжение, пропорциональное U_вх, т. е. U_вых= – U_вх·T₁/( R·C) .

а) С