Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

В связи с широким внедрением цифровых электронных преобразователей, микропроцессоров, микро ЭВМ актуальна задача связи указанных приборов с различными техническими устройствами — источниками информационных сигналов (датчиками) и исполнительными устройствами. Для преобразования информации из цифровой формы в аналоговую применяются цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), а для обратного преобразования — аналого-цифровые преобразователи (АЦП). ЦАП предназначены для стыковки цифрового прибора с исполнительным устройством, а АЦП — для стыковки с датчиком.

ЦАП и АЦП характеризуются следующими основными параметрами:

Погрешностью. Погрешность может состоять из методической и инструментальной составляющей. Методическая погрешность является следствием квантования аналоговой величины по уровню. Шаг квантования определяет методическую ошибку. Инструментальная ошибка вызывается неточной настройкой преобразователя и нестабильностью параметров схемы.

Быстродействием — временем преобразования. Для ЦАП — это интервал между моментом поступления входного кода и моментом установления выходного сигнала. Для АЦП — это интервал от момента пуска преобразователя до получения кода на выходе.

Динамическим диапазоном — допустимым диапазоном выходного напряжения в ЦАП и входного напряжения в АЦП.

Простейший ЦАП строится по методу весовых сопротивлений. В этом методе каждому разряду преобразуемого кода соответствует резистор заданной величины (веса). Соотношение между весами резисторов в разрядах определяется системой счисления, используемой в коде. На рис.5.55 показана схема и условное обозначение 4-разрядного двоичного ЦАП.

Матрица резисторов R₀ – R₀/8 управляется входным кодом через электронные ключи. Младшему разряду соответствует максимальный резистор R₀. При значении разряда, равном лог.1, ключ этого разряда в цепи весового резистора замкнут, а при значении лог.1 — разомкнут. Выходное напряжение зависит от входного кода в соответствии с выражением:

Z_i = 0 или i в зависимости от значений разряда.

Обычно, число разрядов ЦАП гораздо больше 4 (не менее 8). При большом числе разрядов погрешность квантования незначительна. Величина кванта выходного напряжения равна . Выходное напряжение может меняться в диапазоне от 0 до U_пит = U_оп.

Характер выходного сигнала ЦАП показан на рис. 5.55, в. Простейший ЦАП с весовыми сопротивлениями обладает следующими недостатками: большое число номиналов весовых резисторов очень высокой точности; изменение нагрузки на источник U_оп, в зависимости от значения кода, сказывающееся на стабильности U_оп.

От этих недостатков избавлена схема ЦАП с матрицей резисторов всего двух номиналов R, 2R — рис. 5.56. Такой преобразователь использует переключающие ключи, которые подключают разрядный резистор к общему проводу при значении разряда лог.0 или ко входу операционного усилителя, если значение разряда лог.1. Для 4-разрядного преобразователя величина выходного напряжения определяется выражением:

Матрицы R, 2R выпускаются в виде интегральных схем (серия 301). Есть матрицы на 11 двоичных разрядов с точностью резисторов ± 0,01 %. Для переключения резисторов используют ключи на транзисторах. ЦАП изготавливаются серийно в виде интегральных микросхем большей степени интеграции. Например. ЦАП 572 ПА1 имеет 10 двоичных разрядов и время установления 5 мкс; ЦАП 594 ПА1 — 12 разрядов и 3,5 мкс; ЦАП К1118ПА1 — 8 разрядов и 20 нс.

Описанные ЦАП имеют свойства перемножителя аналогового сигнала (U_оп) и цифрового входного кода N. Это существенно расширяет область применения преобразователей: можно организовать управляемый кодом коэффициент усиления ОУ и другие функциональные схемы.

На рис.5.57 показана схема включения серийного интегрального ЦАП К572ПА2. Этот преобразователь управляется двенадцатиразрядным двоичным кодом N и имеет внутри два регистра, в которые этот код может записаться. Регистры включены последовательно. По сигналу E₁ = 1 входной код N записывается в первый регистр, а по сигналу E₂ = 1 код из первого регистра переписывается во второй. Код второго регистра преобразуется в выходной ток I. Этот ток преобразуется в выходное напряжение U_вых при помощи внешнего ОУ D2. Резистор R_ос, показанный на рисунке, конструктивно входит в состав микросхемы D₁.

Простейшие АЦП строятся по схеме последовательного приближения, называемой еще схемой поразрядного уравновешивания. Блок-схема такого преобразователя показана на рис.5.58. По команде «пуск» на выходе цифрового автомата ЦА (представляющего собой генератор импульсов со счетчиком) вырабатывается меняющийся двоичный код N. Этот код при помощи ЦАП непрерывно преобразуется в аналоговый сигнал U_ЦАП. сравниваемый с входным аналоговым сигналом U_вх. Когда эти аналоговые величины сравняются, срабатывает компаратор и выдает команду «стоп». По этой команде код N с выхода ЦА передается на выход преобразователя.

Метод последовательного приближения имеет много различных реализации. По этому методу работают серийные АЦП: 572ПВ1 — 12 разрядов, 170 мкс; К1108ПВ1 — 10 разрядов, 1 мкс.

Недостатком метода является большое время преобразования: на 10 разрядов требуется 1024 периода задающего генератора.

Па рис.5.59 показана схема включения однобайтного АЦП К572ПВЗ. предназначенного для работы с однобайтным микропроцессором. Время преобразования такого АЦП равно 7,5 мкс, ток потребления от источника питания 50 не превышает 5 мА. Входной преобразуемый сигнал подается между входами 13,12, а выходной кол снимается с выходов N. Опорное напряжение подастся на вход II. Управление работой микросхемы осуществляется с помощью сигналов (выбор кристалла) и (чтение). Если , то переход 0/1 на входе RU вызывает сброс и запуск преобразователя. Если же , то этот переход вызовет только сброс, а запуск произойдет по спаду 1/0 сигнала на входе .

Выход ВИ (АЦП занят) принимает значение 0 в течение процесса преобразования. Данные на кодовом входе N существуют при сочетании сигналов , , . Если же такого сочетания нет, то выходы N находятся в третьем высокоимпендансном состоянии.

Более высоким быстродействием обладает АЦП параллельного преобразования. Здесь входное напряжение сравнивается в m = 2ⁿ компараторах с набором опорных напряжений, снимаемых с резистивного делителя — рис.5.62. На тех компараторах, где U_вх > U_оп, U_вых= 1, на остальных U_вых= 0. Шифратор преобразует код такого вида в двоичный. Быстродействие преобразователя определяется быстродействием компаратора и в лучших схемах не превышает несколько десятков нс. Недостатком такого метода является сложность реализации при большом числе разрядов. Для уменьшения количества компараторов АЦП могут строится по двухтактному принципу.

К параллельным АЦП относятся микросхемы К1107ПВ1, К1107ПВ2 и К1107ПВЗ. Время преобразования первых двух не превышает 0,1 мкс, а третьей — 20 нс.