Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

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).

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».