Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи (ЦАП и АЦП)

В связи с широким внедрением цифровых вычислительных средств, в первую очередь микропроцессоров и микро-ЭВМ (см. §8.12), во все отрасли науки и техники стала актуальной задача связи ЭВМ с различными техническими устройствами. Как правило, информация первичных преобразователей (сигналов датчиков) пред­ставляется в аналоговой форме, в виде уровней напряжения. Боль­шая часть исполнительных устройств (электродвигатели, электромагниты и т. д.), предназначенных для автоматического управления

технологическими процессами, реагирует также на уровни напряжения (или тока). С другой стороны, цифровые ЭВМ принимают и выдают информацию в цифровом виде. Для преобразования информации из цифровой формы в аналоговую применяют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), а для обратного преобразования— Аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

ЦАП и АЦП характеризуются погрешностью, быстродействием и динамическим диапазоном. Погрешность состоит из методической и инструментальной составляющих. Методическая составляющая определяется абсолютной погрешностью в квантования аналоговой величины по уровню:

где N — числовое выражение величины х; - шаг квантования.

Очевидно, . Таким образом, шаг квантования опре­деляет методическую погрешность преобразования по уровню.

Инструментальная погрешность определяется нестабильностью параметров элементов схемы преобразователя и неточностью его настройки.

Быстродействие ЦАП и АЦП определяется временем преобразования: для ЦАП — интервалом между моментами поступления входного кода и установления выходного сигнала (с заданной точностью), для АЦП — интервалом от момента пуска преобразователя

момента получения кода на выходе.

Динамический диапазон — допустимый диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного напряжения для ЦАП.

Принцип действия простейшего ЦАП поясняет схема рис. 8.64, а. )Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых ко входу операционного усилителя ключами, которые управляются двоичным кодом (например, параллельным кодом регистра или счетчика).

Коэффициенты передачи по входам 2°, 2¹, 2² и 2³ равны соответственно:

где - числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положения соответствующих ключей.

Выходное напряжение ЦАП определяется суммой:

Таким образом, четырехразрядный двоичный код преобразуется в уровень в диапазоне от 0 до 15 , где - шаг квантования. Для уменьшения по­грешности квантования необхо­димо увеличивать число двоич­ных разрядов ЦАП. На рис.8.64, б приведено условное обо­значение ЦАП.

Приведенная на рис. 8.64, a схема ЦАП имеет по крайней мере два недостатка. Во-первых, к резисторам старших разрядов предъявляются жесткие требования по точности и стабильности, так как отклонение проводимости резистора старшего разряда. ( в схеме рис. 8.64) от номинального значения не должно превышать проводимости резистора младшего разряд. Во-вторых, нагрузка источника изменяется в зависимости от положения ключей, что требует применения источника с малым внутренним сопротивлением для ослабления влияния этого сопротивления на U_on при разных токах нагрузки.

От перечисленных недостатков свободна схема ЦАП, показанная на рис. 8.65. В ней используют трехпозиционные ключи, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу суммирования операционного усилителя, либо к нулевой точке. При этом токи через резисторы 2R не изменяются. Резисторы соединены в матрицу типа R—2R, имеющую постоянное входное сопротивление со стороны источника U_on, равное R независимо от положения ключей. Коэффициент передачи напряжения между соседними узловыми точками матрицы равен 0,5. Для схемы рис. 8.65 выходное напряжение ЦАП определяется выражением.

Матрицы резисторов типа R—2R выпускаются в виде интегральных микросхем, например серии 301. Так, матрицы 301НРЗ — 301НР6 имеют коэффициент деления от 1/2048 до 2047/2048 через 1/2048 с относительной погрешностью коэф­фициента деления не более ±0,01%.

Для переключения резисторов применяют транзисторные ключи, например МОП-ключи и Т₂ (рис. 8.66). ЦАП выпускаются в виде интегральных микро­схем, например серий 572 и 594. Так, БИС 572ПА1В имеет 10 двоичных разрядов и время установления выходного напряжения 5 мкс, а микросхема К594ПА1 — 12 разрядов и время установления 3,5 мкс.

Принцип действия АЦП наиболее распространенного в настоя­щее время последовательного типа поясняется рис. 8.67. Цифровой

автомат ЦА по команде «Пуск» вы­рабатывает последовательность чисел в двоичном коде. Числа поступают на вход ЦАП, на выходе которого на­пряжение изменяется по закону, оп­ределяемому входными числами. Вы­ходное напряжение ЦАП поступает на вход компаратора, где оно сравни­вается с входным напряжением АЦП. При равенстве и компаратор выдает сигнал, по которому останавливается работа циф­рового автомата, и на его выходе фиксируется двоичный код, со­ответствующий

На рис. 8.68, а приведена упрощенная схема БИС АЦП серии КШЗ (К1ПЗПВ1). Здесь цифровой автомат выполнен в виде: двоичного регистра Рг последовательного приближения, суммирующего импульсы тактового генератора 7Т; выходных буферных устройств 1, 2, 4, ..., 256, соответствующих двоичным разрядам счетчика; схемы готовности данных ГД, управляемой счетчиком и выда­ющей команду на считывание выходного кода. Термостабилизированный источник опорного напряжения ИОН вырабатывает напряжение U_on для ЦАП. Компаратор выполнен синхронизируемым импульсами тактового генератора.

Поступающие на вход регистра импульсы тактового генератора последовательно переводят разряды регистра в состояние «1» начиная со старшего, при этом стальные разряды находятся в состоянии «О». Если старший разряд находится в состоянии «1», ЦАП вырабатывает соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе с входным. Если то по команде компаратора старший разряд регистра сбрасывается в нуль, если то в старшем разряде остается единица. Затем единица появляется в следующем по старшинству разряде регистра и снова происходит сравнение. Цикл повторяется, пока не произойдет сравнение в младшем разряде (рис. 8.68, б). После этого схема готовности данных вырабатывает сигнал о готовности АЦП к выдаче кода из регистра.

Рис. 8.68, б иллюстрирует конкретный пример преобразования величины В в десятиразрядный двоичный код 1010111111. Для удобства графиче­ского изображения принято, что диапазон входного напряжения В. Тогда при наличии единицы в старшем разряде регистра В и так как , то единица в старшем разряде остается. Во втором такте преобразования проявится единица в следующем разряде, которой соответствует напряжение В. Так как в старшем разряде единица, то

единица в третьем разряде остается. Процесс продолжается, пока не произойдет сравнение во всех десяти разрядах.

Описанная схема работает по методу поразрядного уравновешивания, позво­ляющему сократить количество тактов, необходимых для преобразования, по сравнению с методом развертывающего уравновешивания, при котором напряже­ние возрастает ступенчато на один шаг квантования до уровня, равного [8]. АЦП, построенные по методу поразрядного уравновешивания, имеют высокое быстродействие.

Параметры рассмотренного АЦП: диапазон входного напряжения — 0—11 В или от —5,5 до +5,5 В; разрядность—10; время преобразования — 30 мкс; конструкция — 18-выводной плоский корпус с габаритами 22Х 7, 5Х 5 мм и массой не более 2,5 г.

Наибольшим быстродействием обладают АЦП параллельного типа, отличаю­щиеся от рассмотренных АЦП последовательного типа тем, что в них сравни­вается одновременно с 2n—1 опорными напряжениями, где п — число двоичных разрядов АЦП. Для этого требуется 2п—1 компараторов. Время преобразования таких АЦП доходит до сотен и десятков наносекунд, однако их схемы достаточно сложны. Интегральные АЦП и ЦАП широко используют для связи микропроцес­соров (см. §8.12) с внешними объектами.