ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Обычно датчики температуры, давления и других физических величин создают напряжение в аналоговой форме, пропорциональное физической величине или отклонениям физической величины от некоторого установленного уровня.

Для работы ЭВМ, а также при некоторых видах передачи ин­формации требуется преобразование величины из аналоговой фор­мы в цифровую, записываемую числом в двоичной форме.

В свою очередь для работы многих исполнительных устройств, таких как регуляторы, стрелочные приборы, громкоговорители и другие, требуется обратное преобразование сигнала из цифровой формы в аналоговую.

Цифро-аналоговый преобразователь. Существует много спосо­бов цифро-аналогового преобразования.

Рис. 14.54. Схема цифро-аналогового преобразователя

На рис. 14.54 показана схема цифро-аналогового преобразователя, использующего лест­ничный делитель типа R — 2R и операционный усилитель. Ключи DCBA подключают левые концы резисторов 2R к источнику эта­лонного напряжения, когда соответствующий разряд двоичного числа равен 1, или к земле, когда он равен 0. Положение ключей на схеме соответствует числу 1101.

Если ключ D замкнут на источник напряжения, а остальные замкнуты на землю, то напряжение, создаваемое на неинвертирующем входе, равно Е_эт/3. Замыкание на источник ключа С создает вдвое меньшее напряжение, а замыкание ключей В и А — в 4 и 8 раз меньше.

Аналого-цифровые преобразователи. Существует также много способов аналого-цифрового преобразования. На рис. 14.55 показана схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) параллельного кодирования, осуществляющего преобразование анало­гового напряжения в n-разрядное двоичное число. С помощью цепочки из 2ⁿ резисторов эталонное напряжение делится на 2ⁿ градаций и подается на инвертирующие входы 2ⁿ — 1 операционных усилителей. На все неинвертирующие входы, соединен­ные вместе, подается преобразуемое аналоговое напряжение. Эталонное напряжение выбирается равным максимально возможному аналоговому напряжению.

Рис. 14.55. Схема аналого-циф­рового преобразователя парал­лельного кодирования

На инвертирующем входе верхнего усилителя напряжение равно [(2ⁿ — 1)/2ⁿ]Е_эт. Например, при n=7, 2⁷=128, число операционных усилителей равно 127 и на вход верхнего усилителя подается напряжение, равное (127/128)Е_эт. Операционные усилители выполняют роль компараторов. Они сравнивают аналоговое напряжение с частью эталонного напряжения, подаваемого на ин­вертирующий вход усилителя. Если аналоговое напряжение пре­вышает напряжение на инвертирующем входе операционного уси­лителя, то на его выходе появляется положительное напряжение, соответствующее логической 1. В противном случае на выходе операционного усилителя появляется отрицательное напряжение, соответствующее логическому 0. Например, при u_вх> (127/128)Е_эт на выходе всех операционных усилителей появляется логическая 1. На выходе шифратора в этом случае появляется семь единиц. Если u_вх меньше (127/128)Е_эт, но больше (126/128) Е_эт, то выход верхнего компаратора соответствует логическому 0, а выходы всех остальных компараторов соответствуют логической 1. В этом слу­чае все выходы шифратора, за исключением Q₀, равны 1, а Q₀ = 0.

Приоритетный шифратор является комбинационной схемой, вырабатывающей двоичное число на выходе по старшему входу, имеющему 1. В данном случае самым старшим является верхний вход шифратора, затем второй сверху и т. д.

Недостатком описанной схемы является ее сложность. При n=7 схема содержит 127 операционных усилителей. Однако боль­шим преимуществом схемы является быстрота преобразования, так как аналоговый сигнал появляется одновременно на входах всех операционных усилителей. Время преобразования определя­ется переходными процессами в усилителях и шифраторе и может составлять 10—20 нс. Такая быстрота преобразования важна при передаче быстроизменяющихся сигналов, например при импульсно-кодовой модуляции, так как при этом число отсчетов сигнала может быть большим. Например, можно взять до 10⁸ отсчет/с, если время преобразования 10 нс.

Когда не требуется быстрое преобразование, например в цифровых вольтметрах, применяется аналого-цифровой преобразователь с двухтактным интегрированием, преобразующий напряжение в интервал времени (рис. 14.56).

Преобразование осуществляется следующим образом. Вначале ключ S₁ разомкнут, а ключ S₂ замкнут. Ключи управляются схемой управления.

Рис. 14.56. Схема аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием

Рис. 14.57. Временная диаграмма напряжения на выходе интегратора АЦП

Затем в момент времени t₀ ключ S₁ подклю­чает к схеме преобразуемое напряжение u_вх, а ключ S₂ размыкает зажимы конденсатора С. С этого момента начинается процесс интегрирования входного напряжения, которое предполагается положительным постоянным напряжением. Пилообразное отрицательное напряжение на выходе первого операционного усилителя, являющегося интегратором, показано на рис. 14.57.

В момент t₁ ключ S₁ подключает к интегратору эталонное напряжение Е_эт. Так как последнее по абсолютной величине больше u_вх и имеет отрицательную полярность, то напряжение на выходе интегратора имеет положительный наклон в интервале времени T₂ = t₂ — t₁ с крутизной, большей, чем в интервале време­ни T_l = t₁—t₀.

В момент t₂, когда напряжение на выходе первого операционного усилителя достигает нуля, изменяется полярность выходного напряжения второго ОУ, являющегося компаратором. Это напря­жение подается на схему управления, которая возвращает ключи S₁ и S₂ в первоначальное состояние (S₁ разомкнут, S₂ замкнут).

В момент t₃ описанный выше процесс повторяется. Из описания работы схемы следует, что

Так как u_вх и Е_эт — величины постоянные, то интегрирование дает следующее равенство:

Отсюда

Последнее равенство позволяет, зная Т₂, Т₁ и Е_эт, определять u_вх. Сделав Т₁ и Е_эт постоянными, можно судить о величине u_вх по значению Т₂.

Именно значение Т₂, пропорциональное u_вх, и показывает цифровой индикатор, подключенный через дешифратор к счетчику. С этой целью схема управления не только переключает ключи S₁ и S₂, но и управляет тактовым генератором и счетчиком таким образом, что последний за время Т₁ завершает полный цикл счета тактовых импульсов N₁, например N₁ = 100. Таким образом, счет­чик из первоначального нулевого состояния в момент t₀ снова возвращается в то же состояние в момент t₁. На выходе счетчика в момент t₂ имеется число N₂, пропорциональное временному интервалу Т₂. Для уменьшения ошибки преобразования можно взять N₁ равным не 100, а 1000.