Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

В цифровых и микропроцессорных системах управления прием, обработка и выдача информации производится в цифровых кодах.

В то же время первичная информация часто поступает на вход системы управления в виде непрерывно изменяющихся напряжений, т.е. в так называемом аналоговом виде. Это сигналы от различных датчиков или измерительных устройств.

Управление исполнительными устройствами (сварочным оборудованием, электродвигателями) также часто осуществляется аналоговыми сигналами, т.е. подачей напряжения определенного уровня. Для сопряжения цифровых систем управления с датчиками и исполнительными устройствами требуется преобразования либо аналогового сигнала в цифровой код, либо наоборот. Эти преобразования осуществляются аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) или цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП).

Цифро – аналоговые преобразователи

Цифро – аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует двоичный цифровой код Q_nQ_n-1…Q₃Q₂Q₁ (Q_i=1 или 0), поступающий на его вход в соответствующий этому коду уровень напряжения U_ВЫХ. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный «вес»; вес i-го разряда вдвое больше чем вес (i-1)-го.

U_ВЫХ = e (Q_n·2^n-1 + Q_n-1·2^n-2 +... + Q₃·2² + Q₂·2¹ + Q₁·2⁰)

где e - напряжение соответствующее весу младшего разряда (интервал квантования).

При этом методическая погрешность преобразования |θ| ≤ 0,5e.

Например, при использовании четырехразрядного двоичного кода

U_ВЫХ = e (Q₄· 8 +Q₃· 4+Q₂· 2 + Q₁· 1 ),

при этом числу 1001 соответствует U_ВЫХ = e(1·8 + 0·4 + 0·2 + 1·1) = 9e, а числу 1100 U_ВЫХ = e (1·8 + 1·4 + 0·2 + 0·1) = 12e.

Обычно ЦАП строится с использованием суммирующего операционного усилителя, напряжение на выходе которого является суммой напряжений, имеющих определенный «вес».

Схема простейшего четырехразрядного ЦАП приведена на рис.4.31. Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых ко входу операционного усилителя ключами, которые управляются входным двоичным кодом (например параллельным кодом регистра или счетчика).

а б

Рисунок 4.31 – Схема (а) и условное обозначение (б) ЦАП

Выходное напряжение такого ЦАП определяется суммой

U_ВЫХ = - E((R₁/(R/8))Q₄ +(R₁/(R/4))Q₃+(R₁/(R/2))Q₂+(R₁/R)Q₁) =

= -E (Q₄·8+Q₃·4+Q₂·2+Q₁·1)

Таким образом, четырехразрядный двоичный код преобразуется уровень выходного напряжения U_ВЫХ в диапазоне от 0 до 15е, где е = E (R₁/R) – интервал (шаг) квантования. Для уменьшения погрешности необходимо увеличивать число двоичных разрядов ЦАП. Например восьмиразрядный ЦАП обеспечивает уровни выходного напряжения U_ВЫХ в диапазоне от 0 до 255е (2⁷ + 2⁶ + 2⁵ + 2⁴ + 2³ + 2² + 2¹ + 2⁰ = 128+64+32+16+8+4+2+1 = 255). Это позволит задавать, например, напряжение изменяющееся в пределах 0 – 50В с шагом е=50/255 ≈ 0,2В то есть с методической погрешностью около 0,25% от номинального значения задаваемого параметра. Такая точность задания может быть достаточной для многих технических параметров, например для задания тока сварки или напряжения на сварочной дуге.

Существенным недостатком рассмотренного ЦАП являются высокие требования к точности и стабильности сопротивлений резисторов старших разрядов матрицы резисторов. Так как даже незначительные отклонения величины их сопротивлений от номинального значения могут привести к значительной инструментальной погрешности ЦАП. Кроме того нагрузка источника опорного напряжения Е изменяется в зависимости от положения ключей, что требует применения источника с высокой стабильностью напряжения при значительных изменениях тока нагрузки.

От перечисленных недостатков свободна схема ЦАП, приведенная на рис.4.32. В ней используются трехпозиционные ключи Q_i, которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу суммирования операционного усилителя, либо к нулевой точке. При этом токи через резисторы 2R практически не изменяются, так как напряжение на входе операционного усилителя, ввиду его большого коэффициента усиления по напряжению, близко к нулю. Следовательно матрица резисторов R - 2R имеет постоянное входное сопротивление со стороны источника Е, равное R независимо от положения ключей. При этом в узлах матрицы А, Б, В установятся напряжения U_А = E/2, U_Б = E/4, U_В = E/8, т.е. коэффициент передачи между соседними узлами матрицы равен 0,5.

Рисунок 4.32–Схема ЦАП с матрицей Рисунок 4.33–Схема ЦАП с

Дата добавления: 2014-01-13