А ц п и ц а п

Лекция 14

Преобразование аналоговой и цифровой информации необходимо в измерительной технике, при помехозащищенной передаче данных, в аналоговых дисплеях и т.д.

ЦАП – декодирующее устройство, на вход которого подается цифровой сигнал D и эталонный (опорный) сигнал U_оп, а на выходе формируется аналоговый сигнал А, являющийся двоично-взвешенным эквивалентом входного цифрового кода:

A = D*U_оп.

Используемые наиболее часто коды: 1) смещенный двоичный, 2) дополнительный, 3) прямой, 4) код Грея.

Сигнал D – это цифровое слово определенной разрядности:

,

где N – количество разрядов, b_1,b₂…b_N – коэффициенты соответствующих двоичных разрядов, которые могут принимать значения “0” или “1”.

A = 2U_оп(b₁2^-1 + b₂2^-2 + b₃2^-3 + +b_N2^-N) = 2(Rос/R)U_оп(b₁/2 + b₂/4 + b₃/8 +.. +b_N/2^N).

Последнее выражение записано для следующей обобщенной схемы ЦАП, где весовые коэффициенты задаются матрицей резисторов, удваивающихся при переходе от старшего разряда к младшему:

U_on Rос=50k

32 R=10k

U_вых

16 2R

-7 В выход U_on=-8 B

8 4R ключ Þ

-9 B

2 -10 B

2^N-1R

Практическая схема ЦАП состоит из

1) источника эталонного (опорного) сигнала, чаще напряжения;

2) ключевых схем (это, обычно, транзисторы МДПТ или ИБТ);

3) резистивной токозадающей цепи или схемы генератора пропорциональных токов;

4) ОУ, выполняющего в данном случае функции сумматора.

В схеме ЦАП повышенные требования к номиналам резисторов, их точность должна быть тем выше, чем выше разряд и чем меньше номинал: 1% для старшего значащего разряда (СЗР) и около 5% для младшего (МЗР).

Выходное напряжение, соответствующее входному коду, будет равно:

- для кода..00001

U_вых(МЗР) = 2(R_ос/R)U_оп(1/2^N)=(R_ос/R)U_оп(1/2^N-1),

-для кода 100000..

U_вых(СЗР) = U_вых(МЗР)2^N-1;

- максимальное выходное напряжение будет для кода 111111..:

U_выхmax = 2U_вых(СЗР) – U_вых(МЗР) = (2^N – 1)U_вых(МЗР) = 2U_вых(СЗР)(1-1/2^N).

Номинальное напряжение полной разрядной сетки:

U_вых(ном) = 2U_вых(СЗР) = 2^NU_вых(МЗР),

оно больше максимального выходного напряжения на U_вых(МЗР).

Расчет основных напряжений в ЦАП начинается с определения номинального напряжения.

Типовое значение напряжения разрядной сетки

U_вых(ном) = 10 В.

Тогда для N = 4 получим

U_вых(МЗР = 0001) = 10/2⁴ = 0.625 B,

U_вых(1000) = U_вых(CЗР) = U_вых(ном)/2 = 5 B,

U_вых(1111) = U_выхmax = U_вых(ном) – U_вых(МЗР) = 10 –0,625 = 9,375 В.

Основные термины и параметры ЦАП:

- разрешающая способность N разрядов,

- погрешность или точность – величина отклонения выходного сигнала от расчетного значения, выражается обычно в единицах половины наименьшего значащего разряда: 1/2U_вых(МЗР),

- СЗР(U(ном)/2), МЗР(U(ном)/2^N),

- время установления – характеристика быстродействия ЦАП, время между приходом цифрового сигнала и установления на выходе нового аналогового значения с номинальной погрешностью ±1/2U(МЗР).

На рисунках ниже показаны результаты преобразования сигнала в идеальном ЦАП (справа) и результаты преобразования в неидеальном устройстве с демонстрацией видов типовых искажений при преобразованиях.

Выходной аналоговый сигнал U_вых U(ном)

А A U_max

Идеальная характеристика U(CЗР)

0000 1000 1111

0001 10000 D

Входной цифровой сигнал D

Идеальная монотонная немонотонная

линейность нелинейность нелинейность

Типовое время преобразования входного кода может быть от 5 до 35 нс, разрядность N = 8, 16, 32 и т.д..

АЦП. Аналого-цифровой преобразователь выполняет преобразование непрерывного напряжения в цифровой сигнал, т.е. это устройства, кодирующие заданное входное напряжение в цифровое слово определенной длины. Входное аналоговое напряжение представляется в виде доли эталонного напряжения U_оп, при этом на выходе получаем цифровое слово:

Здесь N -, b – разрядные коэффициенты (0 или 1).

Разрядные коэффициенты (т.е. выходные сигналы преобразователя) могут быть получены одновременно в виде N параллельных выходов, либо последовательно на одном выходе. При последовательном выходе первым выводится старший разряд.

Процесс преобразования аналогового сигнала по приведенной формуле представляет собой «квантование» входной амплитуды в конечное число дискретных уровней, отличающихся на величину МЗР. Вводится понятие разрешающей способности или погрешности квантования: ½U (МЗР).

Погрешность квантования можно определить через эталонное напряжение:

при

Быстродействие АЦП определяется спектром частот входного сигнала и заданной точностью преобразования, например, для линейно меняющегося сигнала погрешность DU_x в течение времени преобразования t_x:

DU_x = (dU_A/dt)×t_x.

В основном типы АЦП можно разделить на 4 группы:

1. Параллельные с ОС.

2. Последовательные с ОС.

3. С косвенным преобразованием.

4. Непосредственного сравнения.

Приведем соответствующие структурные схемы:

1. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ АЦП 2.ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ АЦП

Аналоговый аналоговый

Вход вход U_A

U_A С реверсивный такты C

счетчик

1 параллельный

цифровой ЦАП (N-разр.)

выход

6

U₀ ЦАП N-разр.регистр У-во

послед.прибл. упр-я

цифр.вых

Синхр-я

3. В АЦП косвенного преобразования входное аналоговое напряжение сначала преобразуется в промежуточный сигнал (частоту, длительность импульса), который затем уже преобразуется в цифровой выходной сигнал. Пример таких АЦП – схемы с генератором пилообразных сигналов или с широтно-импульсным модулятором.

Цикл преобразования начинается с размыкания ключа К, конденсатор С начинает заряжаться от источника тока I, одновременно на счетчик начинают поступать тактовые импульсы. Отсчет импульсов идет до тех пор, пока линейно растущее напряжение на емкости не сравняется со входным аналоговым напряжением, в этот момент счетчик блокируется. Число, зафиксированное счетчиком, является выходным цифровым сигналом. После завершения цикла преобразования схема управления очищает (обнуляет) счетчик и замыкает ключ, конденсатор разряжается.

Дата добавления: 2014-01-04