Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Аналого-цифровые преобразователи (АЦП)

ЦАП — функциональный узел, однозначно преобразующий кодовые комбинации цифрового сигнала в значения аналогового сигнала, например, в виде напряжения на выходе U _вых.

U _вых = E ₀(X 1∙2^-1+ X ₂∙2^-2+... X_n ∙2 ^-n), (6.22)

где Е ₀— опорное напряжение; Х(Х₁, X ₂,.... Х_п) —цифровой код; X_i принимают значения 0 или 1. При определенном Е ₀ каждому X_i на выходе устройства соответствует напряжение

В ЦАП используют двоичные коды: прямой, смещенный, дополнительный. Результаты преобразования показаны в табл. 6.7.

Наиболее просто определяется соответствие цифровых и аналоговых величин при прямом коде, что особенно важно для

Таблица 6.7

Прямой код	Смещенный код	Дополнительный код
x вх	± U вых,В	xвх	± U вых,В	xвх	± U вых,В
	0,000		—8,00
	0,500		—6,93
	1,000		—5,87
	1,500		—4,80
	2,000		—3,73
	2,500		—2,67
	3,000		— 1,60
	3,500		—0,53
	4,000		0,53		-1
	4,500		1,60		—2
	5,000		2,67		—3
	5,500		3,73		__4
	6,000		4,80		—5
	6.500		5,87		—6
	7,000		6,93		. —7
	7,500	, 1111	8,00		—8

ЦАП 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 смещенный 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 добавлением единицы в младший разряд). Таблица показывает, что прямой код дает возможность использовать в 2 раза большее разрешение по сравнению со смещенным и дополнительным кодами.

Базовая схема ЦАП, реализующая выражение (6.21), показанная на рис. 6.31, а, содержит источник опорного напряжения Е ₀, матрицы двоично-весовых резисторов, набор ключей и дифференциальный операционный усилитель. Но для схемы необходимо использовать резисторы с большим диапазоном номиналов, например, 1R —1024 R для 10-разрядного ЦАП. Этого недостатка лишена резистивная (лестничная) матрица R — 2R, показанная на рис. 6.31, б. Выражение (6.21)релизуется схемой ЦАП на рис. 6.31, а непосредственно, так как соотношение

R _oc /R_i равно весу соответствующего X_i Схема ЦАП на основе матрицы R — 2R также реализует выражение (6.21).

Практическая реализация многоразрядных схем ЦАП проводится на основе микросхем, содержащих основные блоки ЦАП в одном корпусе. В частности, 12-разрядные ЦАП на микросхемах 594ПА1; 572ПА2; 1108ПА1А, Б и др.

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

Рис. 6.31. Схемы ЦАП: а — е двоично-весовыми резисторами; б — на основе резисторной матрицы R—2R

Рис. 6.32. Структура АЦП: а — последовательного счета; б — временная диаграмма его работы

цифровой код. Существует ряд методов аналого-цифрового преобразования: методы последовательного счета, поразрядного уравновешивания, двойного интегрирования; с преобразованием напряжения в частоту; параллельного преобразования.

Схема и график работы АЦП последовательного счета приведены на рис. 6.32. Из графика видно, что время преобразования переменное и зависит от входного аналогового сигнала, причем такт работы постоянный и равен

Т _р = Т _о2 ^п,

Рис. 6.33. Структура АЦП: α — поразрядного уравновешивания; б — временная диаграмма его работы

где Т _о — период генератора опорных импульсов, n — разрядность счетчика и собственно АЦП.

Работа этого АЦП не требует синхронизации, что упрощает схему управления. С момента поступления сигнала «старт» на выходе АЦП с частотой 1/ Т _р изменяются цифровые коды результата преобразования. 1/ Т _р—параметр, определяющий максимально допустимую частоту отслеживания входного сигнала, например Т _о=1 мкс, п=8, f _отс = 4 кГц. Некоторым усложнением

схемы управления, заменой суммирующего счетчика на реверсивный и введением элементов, обеспечивающих его работу, реализуется схема следящего АЦП, что сокращает время одно-канального преобразования.

В многоканальных системах сбора и обработки данных широко применяют АЦП поразрядного уравновешивания (рис. 6.33, а, где Р _Г С _ДВ и Р _{Г. вых} — соответственно регистры сдвига и выхода). Схема управления сложнее, чем предыдущая, но время преобразования значительно меньше. Например, так как Т _р =Т _о п, то при Т _о = 1 мкс, n =8, Т _Р=8 мкс и f _отс≈100 кГц.

Временная диаграмма работы АЦП этого типа приведена на рис. 6.32,6. С момента поступления сигнала «старт» генератор тактовых импульсов ГТС перемещает единичный сигнал на регистре сдвига Р_гС_дв, с регистра сдвига через схему И единица записывается в регистр выхода, если U _BX >U _BЫХ ЦАП, то в соответствующий разряд регистра выхода записывается 0, таким образом формируется цифровой код на выходе АЦП начиная от старшего разряда. В качестве АЦП выпускаются микросхемы 572ПВ2, 1113ПВ1, 1107ПВ1 и др.

Контрольные вопросы

1. Чем отличается преобразование информации в цифровых устройствах автоматики от ее преобразования в аналоговых устройствах?

2. Какими закономерностями характеризуется двоичная арифметика и построение двоичных кодов?

3. Какими свойствами обладают комбинационные схемы и цифровые автоматы?

4. Что вы знаете об элементарной базе средств цифровой автоматики?

5. Для чего используется синхронизация цифровых устройств?

6. Какими свойствами обладают RS, Т, D, IK -триггеры?

7. На каких принципах строятся регистры, шифраторы, дешифраторы?

8. Назначение и принцип действия счетчиков, сумматоров.

9. Функциональное назначение арифметическо-логических устройств.

10. Принципы построения элементов памяти в цифровой автоматике.

11. Функциональное назначение и закономерности построения цифроана-. логовых (ЦАП) и аналого-цифровых преобразователей (АЦП).

Дата добавления: 2015-08-27