Большинство датчиков и исполнительных устройств автоматических систем работает с аналоговыми сигналами. Для ввода таких сигналов в ЭВМ их необходимо преобразовать в цифровую форму, т.е. дискретизироватъ по уровню и во времени. Эту задачу решают АЦП. Обратную задачу, т.е. превращение квантованного (цифрового) сигнала в непрерывный, решают ЦАП.
АЦП и ЦАП являются основными устройствами ввода-вывода информации в цифровых системах, предназначенных для обработки аналоговой информации или управления каким-либо технологическим процессом.
Важнейшие характеристики АЦП и ЦАП:
1) Вид аналоговой величины, являющейся входной для АЦП и выходной для ЦАП (напряжение, ток, временной интервал, фаза, частота, угловое и линейное перемещение, освещенность, давление, температура и т.п.). Наибольшее распространение получили преобразователи, в которых входной (выходной) аналоговой величиной является напряжение, т.к. большинство аналоговых величин сравнительно легко преобразуются в напряжение.
|
|
2) Разрешающая способность и точность преобразования (разрешающая способность определяется количеством двоичных разрядов кода или возможным количеством уровней аналогового сигнала, точность определяется наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от цифрового и наоборот).
3) Быстродействие, определяемое интервалом времени от момента подачи сигнала опроса (запуска) до момента достижения выходным сигналом установившегося значения (ед. микросекунд, десятки наносекунд)
В любом преобразователе выделяют цифровую и аналоговую части. В цифровой производятся кодирование и декодирование цифровых сигналов, их запоминание, счет, цифровое компарирование (сравнение), выработка логических сигналов управления. Для этого используют: дешифраторы, мультиплексоры, регистры, счетчики, цифровые компараторы, логические элементы.
В аналоговой части преобразователя производятся операции: усиления, сравнения, коммутации, сложения и вычитания аналоговых сигналов. Для этого используются аналоговые элементы: ОУ, аналоговые компараторы, ключи и коммутаторы, резистивные матрицы и т.д.
Преобразователи выполняются в виде цифровых и аналоговых ИМС или БИС.
ЦАП
Строятся на основе, представления любого двоичного числа X в виде суммы степеней числа два.
Схема преобразования четырехразрядного двоичного числа
Х=Х3*23+Х2*22+X1*21+Х0 *20
В пропорциональное ему напряжение.
Xi=0 или 1. Для ОУ
К= –Uвых/Uоп=Roc/R
R – общее сопротивление параллельно включенных ветвей, в которых были замкнуты ключи X.
Uоп=Uc – опорное напряжение, подаваемое на вход ОУ через R.
|
|
Roc – сопротивление ОС.
Х=8Х3+4Х2+2Х1+1Х0, Uвых=Uоп*Roc/Ro(8X3+4X2+2X1+lX0)
Uвых=(–Uоп*Roc/Ro)*Х; –Uoп*Roc/R0 =K – коэффициент пропорциональности, для каждой схемы величина постоянная.
- для нашей схемы.
Для увеличения числа разрядов необходимо увеличивать число резисторов (Rо/16; Ro/32 и т.д.), при отличии резисторов в 1000 раз точность снижается.
Для устранения этого недостатка в многоразрядных ЦАП весовые коэффициенты каждой ступени задают последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы. (R-2R)
По такому принципу построена схема 10-разрядного интегрального ЦАП типа К572ПА1 выполненного по КМОП технологии.
Достоинства: малая потребляемая мощность, высокое быстродействие не более 5мкс., хорошая точность.
на каждый резистор 2R 2 МДП транзистора, подключаемые 1 и 0 (через инвертор). Четные (вх=1) соед. с вых. 1
Нечетные (вх=0) соед, с вых. 2
АЦП.
По способу преобразования делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.
В последовательных АЦП преобразование аналоговой величины в цифровой код идет ступеньками (шагами), последовательно приближаясь к измеряемому напряжению.
Достоинство: простота; недостаток: низкое быстродействие.
В параллельных АЦП входное напряжение одновременно сравнивают с Х– опорными напряжениями. При этом результат получается за один шаг, но необходимы большие аппаратурные затраты.
Быстродействие; недостаток: сколько опорных напряжений, столько компараторов.
Входное напряжение | Состояние компаратора | Двойное число |
Uc, U | 7 6 5 4 3 2 1 | 2 1 0 |
Uc<0,5 | 0 0 0 0 0 0 0 | 0 0 0 |
Uc≤Uc<1,5 | 0 0 0 0 0 0 1 | 0 0 1 |
1,5≤Uc<2,5 | 0 0 0 0 0 1 1 | 0 1 0 |
2,5≤Uc<3,5 | 0 0 0 0 1 1 1 | 0 1 1 |
3,5≤Uc<4,5 | 0 0 0 1 1 1 1 | 1 0 0 |
4,5≤Uc<5,5 | 0 0 1 1 1 1 1 | 1 0 1 |
5,5≤Uc<6,5 | 0 1 1 1 1 1 1 | 1 1 0 |
6,5≤Uc | 1 1 1 1 1 1 1 | 1 1 1 |
Процесс преобразования непрерывного сигнала в код состоит из квантования и кодирования.
Квантование – это представление непрерывной величины в виде конечного числа дискретных значений (например, уровней потенциалов), а кодирование – это перевод комбинаций дискретных значений в двоичные числа для обработки информации в ЭВМ.
Из входных устройств преобразующих аналоговые величины в соответствующие коды двоичных чисел комбинаций, интерес представляют устройства типа напряжение-число.
Рассмотрим:
bc = t∙tg α =>
Входное напряжение преобразуется в промежуточную величину «интервал времени», которая в свою очередь преобразуется в цифровой код (временная система кодирования).
Входное напряжение Uвх сравнивается с пилообразным напряжением Uп изменяющимся по линейному закону.
Отрезки b1c1, b2c2, b3c3 представляют собой дискретное значение входного напряжения. Интервал от начала сравнения до момента равенства напряжений Uвх = Uп является катетом треугольника с углом наклона α. Все три треугольника подобны, следовательно, tg α = const. Поэтому можно сказать, что отрезки bc в каком-то масштабе пропорциональны соответствующему интервалу времени t. Следовательно измерение дискретных значений напряжений можно заменить измерением пропорциональных отрезков времени, заменяемых двоичным числом.
ГСИ – генератор синхроимпульсов;
И – схема совпадений (логическое умножение);
Сч – счетчик;
Т – триггер;
ДИ – датчик импульсов;
ГПИ – генератор пилообразных импульсов;
= – схема сравнения или компаратор;
ГСИ вырабатывает серию импульсов определенной частоты, определяющий частоту преобразования, импульсы поступают на вход счетчика через схему И, которой управляет триггер. При нулевом состоянии триггера на выходе схемы И – 0 и на вход счетчика импульсы не поступают. Начало временного интервала формирует управляющий импульс УИ, устанавливающий триггер в 1 и определяющий начало отсчета импульсов в счетчике.
|
|
|
|
|
В момент совпадения обоих напряжений единица на выходе компаратора вырабатывает импульс УИ2, устанавливающий триггер в 0, определяющий конец временного интервала.
Число прошедших на счетчик импульсов – это код, пропорциональный дискретному значению преобразованного напряжения.
Точность преобразования определяется точностью сравнения напряжений и положением управляющего импульса относительно импульсов. ГСИ.