8. 4 Цифро–аналоговые и аналого–цифровые преобразователи
В связи с широким внедрением цифровых вычислительных средств практически во все отрасли науки и техники стала актуальной задача связи микропроцессоров и мини-ЭВМ с различными технологическими устройствами. Обычно информацию о протекании технологических процессов получают с помощью первичных датчиков в аналоговой форме в виде уровней напряжения. Для оценки протекания процесса с помощью ЭВМ аналоговая информация должна быть преобразована в цифровую. Эту задачу выполняет аналого–цифровой преобразователь – АЦП.
Цифровой сигнал, выдаваемый ЭВМ для воздействия на исполнительный механизм, должен быть сначала преобразован в аналоговый. Эту задачу выполняет цифро–аналоговый преобразователь – ЦАП.
Самое краткое перечисление областей применения ЦАП и АЦП включает в себя цифровую видеоаппаратуру, управление технологическими процессами в промышленности, приборы для физических исследований, измерительные системы, системы распределения и отображения данных, цифровые системы передачи информационных сигналов и т. д. Короче, вся современная научная и техническая аппаратура нуждается в ЦАП и АЦП.
ЦАП и АЦП характеризуются погрешностью, быстродействием и динамическим диапазоном.
Погрешность определяется главным образом разрешающей способностью, которая зависит от числа N входного кода ЦАП или выходного кода АЦП.
ЦАП, преобразующий N – разрядный двоичный код, должен обеспечить 2N значений выходного сигнала с разрешающей способностью (2N – 1)–1. Например, при числе разрядов 12 количество независимых квантов (ступенек) выходного напряжения составит (212 – 1). Таким образом, каждая ступенька отличается от соседней на 0,0245% от значения шкалы.
Быстродействие ЦАП и АЦП определяется временем преобразования, зависит от назначения устройства и бывает от долей мкс до 100мкс.
Динамический диапазон – это допустимый диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного для ЦАП.
8.4.1 Цифро – аналоговые преобразователи
На рис. 8.4 изображены: а – структурная схема, б – условное обозначение, в – диаграмма, поясняющая работу ЦАП.
Принцип действия заключается в следующем: если замкнут ключ 20 (входной код 0001), выходное напряжение ОУ, т. е. ЦАПа, будет Uвых=–Uоп Rо/ R1. При входном коде 0010 (замкнут ключ 21) выходное напряжение будет Uвых=–Uоп 2Rо/ R1 и т. д.. Таким образом, каждому значению входного кода будет соответствовать новое напряжение Uвых ЦАП , которое изменяется в зависимости от параметров резистивной матрицы, управляемой входным кодом, т. е. Uвых= f (код).
В состав ЦАП входят (см. рис. 8.4):
1. резистивная матрица;
2. набор токовых ключей, реализующих код;
2. источник опорного напряжения;
3. усилитель
Рис. 8.4 Структурная схема, условное обозначение и временная диаграмма ЦАП.
Матрица резисторов (рис. 8.4 ) обладает рядом недостатков: малая разрядность, сложно точно изготовить различные по номиналам резисторы.
На рис. 8.5 показан ЦАП с матрицей R–2R, которая состоит из резисторов всего двух номиналов и представляет для источника Uоп постоянное сопротивление R.
Обычно резистор цепи обратной связи ОУ входит в блок резистивной матрицы кода и выбирается равным R.
Тогда выходное напряжение ЦАП будет
Uвых=– Uоп(1–2 N),
где N – разрядность ЦАП.
Рис.8.5 Структурная схема ЦАП с матрицей R – 2R.