Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Исходная информация о различных процессах, которые изучаются в физике, химии, биологии, имеет, как правило, аналоговый характер. В настоящее время при наличии микропроцессорных систем обработку информации удобно и лучше производить в цифровой форме.

Преобразование аналогового сигнала, представляющего собой непрерывно изменяющуюся во времени физическую величину, в эквивалентный ему цифровой код осуществляется в устройствах, которые называются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).

После передачи и обработки информация может использоваться в цифровой форме. Однако по физиологическим особенностям зрения и слуха люди воспринимают информацию в аналоговом виде. Даже результаты расчетов и экспериментов лучше воспринимаются в виде графиков, чем цифровых таблиц. Поэтому системы цифровой обработки сигналов должны выполнять и обратное преобразование информации в виде цифровых кодов в аналоговую форму. Преобразование последовательности цифровых кодов в эквивалентный аналоговый сигнал выполняется с помощью устройств, которые называются цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Основными характеристиками АЦП и ЦАП являются – число разрядов кода, разрешающая способность, погрешность преобразования, быстродействие, частота дискретизации.

В АЦП выполняется дискретизация сигнала по времени, квантование аналогового сигнала по уровню и кодирование найденных дискретных значений
N - разрядным числовым кодом.

По способу действия различают АЦП с параллельной и последовательной обработкой аналоговых сигналов. По составу функциональных узлов различают АЦП, которые содержат ЦАП и которые не содержат ЦАП.

АЦП параллельного преобразования. В состав данного аналого-цифрового преобразователя (рис. 9.30) входят источник опорного напряжения (ИОН), последовательная цепочка резисторов, компараторы на ОУ, параллельный регистр, синхронизируемый генератором тактовых импульсов (ГТИ), шифратор. Цепочка резисторов делит опорное напряжение на градаций, образуя уровни квантования напряжения. Из делителя эти уровни напряжения подаются на инвертирующие входы ОУ. На неинвертирующие входы всех ОУ подается входное напряжения, подлежащее преобразованию. С выходов компараторов на ОУ снимается и подается на регистр параллельный разрядный код. Этот код содержит число единиц, равное числу уровней квантования, соответствующее значению входного напряжения в моменты поступления синхроимпульсов от ГТИ на вход синхронизации регистра. Таким образом, производится квантование по уровню и дискретизация во времени. В шифраторе единичный код преобразуется в - разрядный двоичный код . На сегодняшний день этот тип АЦП является самым быстродействующим, так как аналоговое напряжение появляется одновременно на всех входах операционных усилителей. Время преобразования определяется переходными процессами в ОУ, регистре и шифраторе.

Рис. 9.30. Структурная схема АЦП параллельного преобразования

АЦП последовательного преобразования с двойным интегрированием. В АЦП последовательного преобразования сначала напряжение преобразуется во временной интервал, а затем длительность временного интервала преобразуется в цифровой код. Вариант АЦП данного типа, показанный на структурной схеме рис. 9.31, содержит ИОН, коммутатор – аналоговый мультиплексор (в приведенном примере – это электронный ключ на двух полевых транзисторах с изолированным затвором ), -триггер, интегратор и компаратор на ОУ, ГТИ, схему сравнения (ЛЭ “И”), счетчик.

Рис. 9.31. Структурная схема АЦП последовательного преобразования с двойным интегрированием

В данном АЦП применяется интегратор для преобразования величины напряжения в пропорциональный ей интервал времени. Счетчик и компаратор служат для формирования соответствующего данному интервалу времени цифрового кода. На фиксированном интервале времени интегрируют аналоговым интегратором измеряемое постоянное входное напряжение

,

где – интегральное среднее от входного сигнала по интервалу , не содержащее разнополярных помех и шумов, изначально присутствующих во входном сигнале. Далее к входу интегратора подключают опорное напряжение с полярностью противоположной полярности измеряемого напряжения. Интегрирование проводят до тех пор, пока выходное напряжение интегратора не уменьшится до нуля

. (9.2)

Из решения уравнения (9.2) находим искомый временной интервал

. (9.3)

Из (9.3) видим, что временной интервал определяется только временем интегрирования измеряемого и опорного напряжения и не зависит от параметров интегратора, причем измеряемое напряжение не должно превышать по величине опорное напряжение .

Принцип работы такого АЦП поясняют временные диаграммы, представленные на рис. 9.32. В момент времени на -вход -триггера подается импульс „Запуск”. Выходной сигнал -триггера устанавливается в состояние . Высокий уровень подается на затвор транзистора и переводит его в состояние насыщения. Инверсное значение этого же сигнала (низкий уровень ) подается на затвор транзистора и переводит его в запертое состояние. Электронный ключ через открытый транзистор подключает ко входу интегратора на ОУ измеряемое постоянное положительное напряжение . Так как интегратор на ОУ является инвертирующим, то на его выходе формируется линейно спадающее отрицательное напряжение .

Поскольку на инвертирующий вход компаратора на ОУ подается отрицательное напряжение , а , то . Высокое выходное напряжение компаратора действует как логическая 1 на один из входов ЛЭ “И” (ИС ). В результате этого на вход счетчика поступает от ГТИ периодическая последовательность импульсов. Счетчик считает импульсы до момента времени , когда число поступивших импульсов достигает значения модуля счета. В этот момент счетчиком вырабатывается сигнал переполнения , который подается на -вход -триггера. На выходе триггера формируется состояние , с помощью которого электронный ключ к входу интегратора подключает отрицательное опорное напряжение . (Транзистор переходит в запертое состояние, а транзистор – в насыщенное.) На выходе инвертирующего интегратора на ОУ формируется нарастающее по линейному закону напряжение. Пока на выходе интегратора сохраняется отрицательное напряжение выход компаратора остается в состоянии . Счетчик с момента времени начинает новый счет импульсов, поступающих на его вход от ГТИ. В момент времени , когда напряжение на входе компаратора достигает значения , то . Низкое выходное напряжение компаратора действует как логический 0 на один из входов ЛЭ “И” (ИС ). В результате этого счетчик прекращает счет импульсов и на его выходе фиксируется число в виде двоичного кода, пропорционального измеряемому входному напряжению.

Рис. 9.32. Временные диаграммы, поясняющие работу АЦП последовательного преобразования с двойным интегрированием

ЦАП с делением напряжения. В качестве примера на рис. 9.33 представлена схема 4-разрядного ЦАП с делением напряжения. Данный тип ЦАП содержит источник опорного напряжения (ИОН), делитель напряжения в виде резистивной матрицы , электронные ключи, состоящие из полевых транзисторов с индуцированным n -каналом, на входы которых подаются прямые и инверсные значения значащих цифр 4-разрядного двоичного кода, и инвертирующий сумматор на ОУ.

Сначала рассмотрим работу матричного делителя напряжения. Матрица состоит из резисторов только двух номиналов и , причем резисторы с номиналом включены последовательно, а резисторы с номиналом включены параллельно, как показано на рис. 7.33. Отметим, что выводы резисторов номиналом , соединенные с электронными ключами всегда находятся под нулевым потенциалом, так как при =0 они подсоединены к корпусу гальванически, а при =1 – виртуально в предположении, что ОУ идеальный. Особенностью матрицы является то, что в любом узле, к которому приложено напряжение -того разряда ( =0, 1, 2, 3) входное сопротивление всегда равно . Вследствие этого на выходе каждого из старших разрядов образуется делитель из двух резисторов с одинаковым сопротивлением номиналом , который приложенное напряжение делит пополам. В результате этого в узлах разрядов устанавливаются следующие напряжения:

. (9.4)

Рис. 9.33. ЦАП с делением напряжения

Рис. 9.34. Схема резистивной матрицы

Из резистивной матрицы напряжения в соответствии со значением двоичного кода поступают на инвертирующий вход ОУ. По каждому из разрядов, когда , формируется выходное напряжение . Инвертирующий сумматор на ОУ выполняет сложение выходных напряжений по разрядам и на его выходе формируется результирующее напряжение

(9.5)

В общем случае, когда делитель напряжения в виде резистивной матрицы имеет разрядов, то напряжение на выходе ЦАП принимает следующий вид

(9.6)

Выходное напряжение имеет ступенчатую форму и его сглаживают с помощью ФНЧ.

АЦП с ЦАП последовательного преобразования. Пример структурной схемы данного типа АЦП представлен на рис. 9.35а. Она содержит следующие микросхемы: компаратор на ОУ ; - триггер ; ГТИ ; ЛЭ “И” ; счетчик ; ЦАП .

Поясним работу АЦП с помощью временных диаграмм, показанных на рис. 9.35б. В момент времени импульсом «Пуск» триггер переводится в состояние =1 ( =1) и производится сброс счетчика. В моменты времени, когда на входах ЛЭ “И” действуют сигналы =1 и =1 на вход счетчика поступают синхроимпульсы ГТИ с периодом следования . Счетчик подсчитывает число поступивших импульсов. Цифровой код на выходе счетчика увеличивается. Соответственно увеличивается и выходное напряжение ЦАП . Напряжение на выходе ЦАП имеет ступенчатую форму. Высота ступенек определяется разрешающей способностью ЦАП, которая в свою очередь зависит от величины опорного напряжения и разрядности ЦАП m. Процесс счета продолжается до тех пор, пока выходное напряжение ЦАП не превысит величину измеряемого входного напряжения . В этот момент на выходе компаратора сформируется напряжение , которое поступив на вход триггера как логическая 1, переведет его в состояние =0. В свою очередь, сигнал на выходе ЛЭ “И” примет значение логического 0 и прекратится счет импульсов. На выходе счетчик зафиксируется цифровой код в виде целого числа, соответствующего первому уровню выходного напряжения , превышающему величину измеряемого входного напряжения .

а)	б)

Рис. 9.35 АЦП с ЦАП последовательного преобразования

а) структурная схема;

б) временные диаграммы напряжений синхроимпульсов, поясняющие принцип работы АЦП с ЦАП последовательного преобразования

Дата добавления: 2014-11-16