Цифроаналоговые преобразователи

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:

555_lo = 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 R_H. Напряжение на нем, равное произведению R_H 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.