Рассмотренные ранее технические средства работают и с аналоговыми, и с дискретными параметрами и сигналами. Ядро автоматических систем — ЭВМ — работает только с цифровыми кодами. Для объединения всех этих средств и решаемых ими задач в рамках единой системы нужно иметь возможность взаимного преобразования величин. Эту задачу решают Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи.
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) — это устройство, которое преобразует цифровой код в аналоговую величину, соответствующую десятичному числу — эквиваленту этого кода.
Обычно выходной величиной ЦАП является электрическое напряжение.
Работа цифроаналогового преобразователя основана на двоичной системе счисления. В двоичной системе счисления только две цифры — 0 и I, но она, как и десятичная система, является позиционной, т.е. «вес» каждой цифры в числе зависит от ее позиции (разряда числа). В десятичной системе каждый более старший разряд «весит» в 10 раз больше предыдущего. Так, в числе 555 левая пятерка (2-й разряд) «весит» в 10 раз больше, чем средняя (1-й разряд), которая, в свою очередь, в 10 раз «тяжелее» правой (0-й разряд). Это число можно записать следующим образом:
|
|
555lo = 5-102 + 5-10' + 5-10°.
В двоичной системе счисления разряды отличаются в 2 раза: в числе 111 (один —один —один) левая единица (2-й разряд) в 2 раза «тяжелее» средней (1-й разряд), которая в 2 раза «тяжелее»
124
правой (0-й разряд). Это число можно записать следующим образом:
1112= 1-22+ 1-2' + 1-2°.
Учитывая «веса» разрядов, можно преобразовывать числа из одной системы счисления в другую, например:
101101012= 1-27 + 0-26+ 1 -25+ 1 -24 + 0-23+ 1-22 + 0-2' + + 1-2° =128+ 0 + 32+ 16+ 0 + 4 + 0+1 = 18110.
Этот принцип лежит в основе работы цифроаналогового преобразователя: любое число в позиционной системе счисления можно представить в виде суммы произведений цифр на основание системы счисления в степени, равной номеру позиции этой цифры в числе (т.е. номеру разряда).
Для реализации ЦАП необходимо выбрать «единицу веса», например, значение напряжения или тока, соответствующее «весу» самого младшего разряда числа. Затем в каждом разряде числа, где имеется цифра 1, эта «единица веса» умножается на «вес» данного разряда, после чего напряжения или токи всех разрядов складываются. Например, для представленного ранее двоичного числа 10110101 при выбранной в качестве «единицы веса» силе тока 1 мА итоговая сила тока, соответствующая данному числу, определяется следующим образом:
/,оно.о. = 1-27+1-25+1-24+1-22+1-2° = = 128 + 32+ 16 + 4+ 1 = 181 (мА).
При выбранной единице младшего разряда 1мА результатом преобразования двоичного числа 10110101 в аналоговую величину — силу тока — является ток силой 181 мА.
|
|
На рис. 5.19 представлена схема 4-разрядного цифроаналогового преобразователя, в которой «вес» каждого разряда определяется выбором сопротивления R цепи, питаемой от источника с напряжением £пит. Управление током /в каждой цепи производится с помощью параллельного регистра. Подбор сопротивлений резисторов выполнен так, что ток, включаемый каждым более старшим разрядом, вдвое больше предыдущего. Все токи суммируются на сопротивлении нагрузки RH. Напряжение на нем, равное произведению RH на сумму токов всех включенных разрядов, является выходной величиной £/вых преобразователя.
В данном случае на вход ЦАП подано двоичное число 0101. Открыты транзисторы, через которые текут токи /0 и 4 /0. На нагрузке они суммируются и создают выходное напряжение, соответствующее току 5/0 (десятичному числу 5).
Типичный цифроаналоговый преобразователь имеет 12-разрядный регистр, т. е. количество различных его состояний 4096. На-
125
пряжение питания переключаемых цепей обычно выбирается таким, чтобы выходной сигнал преобразователя изменялся от -5,12 до +5,12 В; погрешность преобразования — около 1 %, время преобразования двоичного кода в напряжение — от единиц до десятков микросекунд.