22379

АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП И АЦП)

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ЦАП с двоичновзвешенными резисторами. ЦАП с резистивной матрицей R2R.АНАЛОГОЦИФРОВЫЕ И ЦИФРОАНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЦАП И АЦП 15.

Русский

2013-08-04

315 KB

165 чел.

Лекция 15

Содержание лекции

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи  (ЦАП и АЦП). ЦАП с двоично-взвешенными резисторами. ЦАП с резистивной матрицей R-2R. АЦП временного преобразования. АЦП уравновешивающего преобразования.

15.АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП И АЦП)

15.1. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые и служат для сопряжения цифровых устройств формирования и обработки сигналов с аналоговыми потребителями информации. Они широко используются для управления аналоговыми устройствами при помощи ЭВМ в таких отраслях техники, как:

системы управления технологическими процессами;

устройства связи, телемеханики, телеизмерений (модемы, кодеки, активные и цифровые фильтры, системы распределения аналоговых данных);

дискретная автоматика и вычислительная, преобразовательная техника (генераторы сложных функций, интеграторы,  решающие трансформаторы, функциональные преобразователи);

испытательная и измерительная техника (программируемые источники питания, автоматические мостовые измерительные приборы, цифровые измерительные приборы).

Рис.15.1.

Существует несколько схем, каждая из которых служит базой для построения многих разновидностей ЦАП (рис. 15.1). Принцип их работы заключается в следующем. Для формирования аналогового сигнала на выходе, однозначно соответствующего цифровому коду входного сигнала, аналоговые ключи at либо подключают к выходу ЦАП необходимое количество источников опорных сигналов (рис. 15.1, а, в), либо устанавливают соответствующее дискретное значение коэффициента деления (рис. 15.1, б). Цепь из двух управляемых с помощью аналоговых ключей (показаны стрелками) резисторовв последнем случае представляет собой одну из ряда взвешенных резистивных схем. Таким образом, подключение с помощью системы ключей, управляемых цифровыми сигналами, взвешенных по выходным значениям источников тока (рис. 15.1, а) или напряжения (рис. 15.1, б), или подключение различных по величине калиброванных сопротивлений к одному источнику напряжения (рис. 15.1, б) позволяет получить на выходе ступенчато изменяющийся аналоговый сигнал, однозначно соответствующий установленному на входе цифровому коду.

Так как выполнение калиброванных сопротивлений существенно проще, чем источников напряжения или тока, преимущественное применение нашли ЦАП с управляемыми резистивными схемами и одним источником опорного напряжения.

Работа таких ЦАП описывается уравнением

где      — выходной аналоговый сигнал,— коэффициент передачи ЦАП по току или напряжению;—опорный аналоговый сигнал, i — порядковый номер цифрового входного сигнала по мере возрастания его значений.

Из этого уравнения следует, что собственно преобразованию подвергается опорный аналоговый сигнал, а цифровой сигнал является модулирующим. При изменении значения на единицу младшего разряда (ЕМР) значение увеличивается или уменьшается на значение называемое шагом квантования.

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала с шагом квантования выходной сигнал С(t) образует ступенчато возрастающую функцию, которую называют характеристикой преобразования ЦАП.

В отсутствие погрешностей средние точки ступенек расположены на прямой линии. При этом каждому значению at соответствует определенное значение Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек. Для количественного описания этих различий существует приведенная ниже система статических и динамических параметров ЦАП:

  •  Разрешающая   способность — приращение при   преобразовании смежных значений , т. е. отличающихся на Для двоичных кодов где — номинальное максимальное значение — количество двоичных разрядов ЦАП. Для двоично-десятичных кодов преобразования где — количество декад ЦАП. Знаменатель в выражениях дляопределяет количество состояний на входе или выходе ЦАП. Чем больше разрядность преобразователя, тем выше должна быть разрешающая способность.
  •  Погрешность нелинейности — максимальное отклонение от идеальной прямой во всем диапазоне преобразования. Относительное значение отклонения   измеряют в , а абсолютное — в долях  
  •  Дифференциальная погрешность нелинейности — максимальное отклонение от прямой при переходе от одного значения к другому смежному значению.
  •  Монотонность характеристики преобразования — увеличение (уменьшение) или постоянство значений при равномерном увеличении (уменьшении) . Если погрешность нелинейности больше, то характеристика преобразования немонотонна.
  •  Диапазон   значений   входного    сигнала — разность  Для ЦАП с резистивным выходом — диапазон выходного напряжения, в котором погрешность нелинейности не более
  •  Погрешность шкалы — разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы
  •  Погрешность  смещения   нуля — значение когда   на   вход ЦАП подан входной сигнал аг, соответствующий нулю.
  •  Время установления — интервал времени от момента изменения кода на входе до момента, при котором выходное напряжение или ток окончательно войдут в зону шириной 1 ЕМР или другой оговоренной величины, симметрично расположенную относительно установившегося значения.
  •  Температурная стабильность ЦАП характеризуется температурными коэффициентами погрешности нелинейности, погрешности шкалы и погрешности смещения нуля.
  •  Коэффициент разделения каналов — уровень подавления прохождения сигналов мжеду каналами преобразователя. Этот показатель характерен для многоканальных ЦАП.

Наибольшее распространение в настоящее время получают микроэлектронные ЦАП, которые отличаются согласованностью динамических и температурных параметров элементов, дешевизной, малыми размерами и низкой потребляемой мощностью. Их в общем случае можно разделить на преобразователи с прямым и промежуточным преобразованием.

Преобразователи с прямым преобразованием делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Большинство микроэлектронных ЦАП — параллельного типа. В основу их работы положено суммирование токов, соответствующих весам разрядов преобразователя. В состав простейшей схемы параллельного ЦАП обычно входят источники опорного напряжения (ИОН), резистивные или активные делители, аналоговые ключи. В качестве делителей чаще всего применяются матрицыи матрицы взвешенных резисторов. Суммирование токов, образованных подключением соответствующих источников, производится ОУ. Вместо резистивных делителей в параллельных ЦАП могут быть использованы активные делители тока. Типовая схема такого преобразователя содержит, как правило, источник опорного тока, делители тока по числу разрядов входного кода, ключевые элементы, суммирующий ОУ, вспомогательные элементы. Широко распространены транзисторные делители тока с согласованными параметрами. При условии идентичности параметров, электрических режимов и нагрузки транзисторной пары общий эмиттерный ток делится пополам. Последовательным делением на два образуется двоичный ряд токов. При потенциале, соответствующем логической 1, разрядный весовой ток через переключатель поступает на суммирующий ОУ. В противном случае происходит его отключение от ОУ.

Существуют ЦАП, в которых входной код вначале преобразуется в промежуточную величину, представленную длительностью или частотой следования импульсов, а затем преобразуется в соответствующий выходной сигнал. При этом преобразуемый код управляет подключением источника эталонного напряжения на вход низкочастотного фильтра. Фильтр выделяет из серии промежуточных сигналов среднее значение или постоянную составляющую напряжения, пропорциональную входному коду.

Микроэлектронные ЦАП могут быть функционально завершенными, т. е. способными работать в автономном режиме, и функционально незавершенными, требующими для работы внешних дополнительных устройств. Как правило, это микросхемы устройств выборки и хранения (УВХ), источников опорного напряжения, буферных регистров сопряжения и др.

По возможностям сопряжения с цифровыми схемами микроэлектронные ЦАП бывают с непосредственным сопряжением и сопряжением через буферные устройства, объединяющие, как правило, буферный регистр кратковременной памяти с параллельным вводом-выводом информации и тремя логическими состояниями, а также управляющую логику, работающую по программе от микропроцессора или микро-ЭВМ.

Преобразователи могут быть одно- и многоканальными. Многоканальная работа обеспечивается либо объединением в одной БИС нескольких идентичных ЦАП, работающих независимо друг от друга.

Входные коды могут быть различными. Наиболее часто применяют ЦАП параллельного двоичного кода в напряжение.

Итак, ЦАП предназначен для преобразования цифрового сигнала в аналоговый. Мгновенное напряжение на выходе ЦАП пропорционально “весу” кода на входе. Входные коды изменяют напряжение на выходе ЦАП. Напряжение на выходе ЦАП - сумма напряжений соответствующих разрядов входного кода.

Пример

Пусть есть число 1010.

От единицы в первом разряде - U1 

во втором             - 2U1

в третьем             - 4U1

в четвертом      - 8U1

U1 – вес   младшего разряда.

Если 0 в любом разряде – 0 В

Итак, напряжение на выходе ЦАП будет равно:

0.U1 + 1.2U1 + 0.4U1 + 1.8U1 = 10U1                  

 

Рассмотрим ниже два вида преобразователей.

15.1.1. ЦАП с двоично-взвешенными резисторами

    Двоично-взвешенные резисторы: R, 2R, 22R, ..., 2n-1R.

   На рис.15.2 приведена схема инвертирующего сумматора с такими резисторами. На подходящих к резисторам шинах потенциалы, соответствующие цифрам 0 → 0 В и 1 →U1 В.

    

В общем случае

,

где .

    В скобках двоичный код числа, т.е. на выходе напряжение, пропорциональное весу действующего на входе кода.

.

Эта схема редко применяется, т.к. резисторы  подобрать точно сложно, а при изменении температуры просто невозможно.   

15.1.2. ЦАП с резистивной матрицей R-2R.

    В матрице только два номинала R и 2R . Схема на рис.15.3. Она поясняет принцип действия.

Пусть U1  подан на вход В.

Тогда  UA = 1/3U1; UБ = =1/2.1/3U1; UB = 1/4.1/3U1,                                                                  т.е. напряжение на выходе зависит от того, какой узел через резистор 2R подключен к напряжению U1,

т.е. Uвых(A) = 1/3 U1,

Uвых(Б)=1/2.1/3U1;

Uвых(B) = 1/4.1/3 U1 и т.д.


Если несколько единиц, то используем принцип
   наложения.

Реализуется практически этот преобразователь по схеме на рис.15.4.

15.2. аналого- Цифровые преобразователи (АЦП)

    

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) представляют собой устройства, которые преобразуют входные аналоговые сигналы в соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т. е. АЦП выполняют операцию, обратную ЦАП. АЦП широко применяются в устройствах дискретной автоматики, цифровых системах управления для преобразования аналоговых сигналов от датчиков в цифровую форму, в системах отображения для цифровой индикации, в системах передачи данных и многих других областях техники.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования значений различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решать лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным является способ преобразования различных по физической природе сигналов сначала в электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение — код в цифровые.

Система основных электрических параметров АЦП, отражающая особенности их построения и функционирования, включает:

  •  число разрядов— количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП;
  •  коэффициент преобразования — отношение приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала для линейной характеристики преобразования;
  •  абсолютную погрешность преобразования в конечной точке шкалы — отклонение   значений входного напряжения от номинального значения, соответствующего конечной точке характеристики  преобразования;
  •  напряжение смещения нуля на входе — приведенное ко входу напряжение, характеризующее отклонение начала характеристики АЦП от заданного значения, измеряетсяв единицах младшего разряда;
  •  время преобразования— интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

В основу классификации АЦП можно положить признак временного развертывания процесса преобразования аналоговой величины в цифровую. В соответствии с этим признаком выборочные значения аналогового сигнала преобразуются в цифровые эквиваленты операциями квантования и кодирования с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедуры приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине, а методы построения АЦП соответственно делятся на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

. Рассмотрим основные принципы построения АЦП различных типов.

15.2.1. АЦП временного преобразования

В этом АЦП входной сигнал преобразуется в соответствующий временной интервал. Длительность интервала пропорциональна Uвх. При этом интервал заполняется  импульсами стабильной частоты.

    Структурная схема такого АЦП показана на рис.15.5, а на рис.15.6 –временные диаграммы его работы. Импульс с ГТИ обнуляет СЧ, запускает ГПН и переключает триггер в состояние Q = 1. Если Q=1, то  схема & пропускает СИ к счетчику СТ. Когда напряжение с ГПН станет равным Uвх, на выходе компаратора появится логическая“1”, переключающая триггер Т в 0 = Q  и на  счетчик СИ не проходят, На выходе СТ устанавливается код, пропорциональный входному напряжению.

15.2.2. АЦП уравновешивающего преобразования (рис.15.7)

В начале работы ГТИ устанавливает счетчик СЧ (СТ) в нуль  (обнуление). ГТИ определяет начало работы АЦП – начало измерения (преобразования). 3Напряжение на выходе ЦАП = 0  и на выходе компаратора логическая “1”. СИ через схему & поступают на вход СТ. Когда напряжение на выходе ЦАП станет равным входному, компаратор устанавливается в “0” и на выходе код, соответствующий входному сигналу.

Контрольные вопросы и задания

1.Назовите основные параметры ЦАП.

2.Назовите основные параметры АЦП.

3.Назначение резистивной матрицы R-2R.

4.Какие значения напряжений будут в точках А, Б, В,Г на рис.15.3  ?

5.Поясните назначение компаратора в схеме на рис. 15.7.


G

Младший

разряд

2R

2R

22R

&

Cтарший

разряд

R

ROC

2n-1R

2R

A

UВЫХ

2R

Старший разряд

2R

G

2R

+U1

G

Младший разряд

R

R

S

UВЫХ

R

T

в х о д н о й    к о д

Кл1

Кл2

Рис. 15.4. Схема ЦАП с резистивной матрицей R–2R

Кл2

Кл1

T

R

S

UВЫХ

Рис. 15.3. Схема резистивной матрицы  R–2R

R

R

R

Г

В

А

Б

2R

2R

2R

2R

2R

2R

U1

S

R

T

Tp

СЧ

СТ

R

В  ы  х  о д н о й    к о д

UBX

Q

Компаратор

ГПН

ГТИ

ГСИ

Рис. 15.5. Схема АЦП временного преобразования

Рис. 15.7. Схема АЦП уравновешивающего преобразования

ГСИ

ГТИ

В

Компаратор

UBX

В  ы  х  о д н о й    к о д

R

СТ

СЧ

t

U

t

ЦАП

G

U

&

G

Рис. 15.2. Схема ЦАП с двоично взвешенными резисторами

U

t

U

t

U

t

UBX

ГТИ

ГПН

Q Тр

ГСИ

Вход

СЧ

Рис. 15.6. Временные диаграммы работы АЦП временного преобразования

R

2R

UВЫХ

R

R

А

Б

R

U1

2R

UВЫХ

А

2R

2R

U1

В

2R

2R

2R

UВЫХ

R

R

R

Г

А

Б

2R

2R

2R

U1

В

2R

2R

2R

UВЫХ

R

R

R

Г

А

Б

2R

2R

2R

U1

В

2R

2R

2R

UВЫХ

R

R

R

Г

А

Б

2R

2R

2R

U1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81778. Образ метели в произведениях отечественной литературы 32.93 KB
  Все ее действие развертывается на фоне разгулявшихся природных стихий: Ветер ветер На всем божьем свете Ветер хлесткий гуляет свищет и зол и рад Разыгралась чтойто вьюга ох пурга какая спасе Вьюга долгим смехом Заливается в снегах Очевидно что образы ветра метели романтичны и имеют символический смысл. Ветер ветер На ногах не стоит человек. Ветер ветер На всем Божьем свете. Во второй строфе напор стихии как бы смягчается ее действия становятся не гневны а почти нежны и появляются уменьшительноласкательные...
81779. Наука и философия. Статус научной философии 28.69 KB
  Многолетний спор философии и науки о том в чем больше нуждается общество в философии или науке и какова их действительная взаимосвязь породил множество точек зрения обилие возможных трактовок и интерпретаций этой проблемы. Остановимся на основных тезисах раскрывающих суть соотношения философии и науки: Специальные науки служат отдельным конкретным потребностям общества: технике экономике искусству врачевания искусству обучения законодательству и др. Частные науки ограничиваются отдельными частями мира. Философия задумывается о...
81780. Функции науки. Роль науки в современном образовании и формировании личности 28.41 KB
  Роль науки в современном образовании и формировании личности. Проблема связанная с классификацией функций науки до сих пор остается спорной отчасти потому что последняя развивалась возлагая на себя новые и новые функции отчасти в силу того что выступая в роли социокультурного феномена она начинает больше заботиться не об объективной и безличностной закономерности а о коэволюционном вписывании в мир всех достижений научнотехнического прогресса. В качестве особой и приоритетной проблемы выделяют вопрос о социальных функциях науки...
81781. Преднаука и наука. Генезис науки и проблема периодизации её истории 31.74 KB
  Генезис науки и проблема периодизации её истории. Исследуя историю любого материального или духовного явления в том числе и науки следует иметь в виду что это сложный диалектический поступательный процесс появления различий включающий в себя ряд качественно своеобразных этапов фаз и т. Применяя сказанное о периодизации к истории науки следует прежде всего подчеркнуть следующее. Вопрос о периодизации истории науки и ее критериях по сей день является дискуссионным и активно обсуждается в отечественной и зарубежной литературе.
81783. Средневековая наука. Организация науки в средневековых университетах 33.78 KB
  Первый из них факультет свободных искусств trium был наиболее многочисленным и считался подготовительным для трех других факультетов: медицинского юридического и теологического самого малочисленного но обучение на котором было самым продолжительным. Таким образом Парижский университет оказался в плену противоречивых тенденций: превратиться в центр беспристрастных исследований связанных с изучением античного наследия но всегда стоящих перед опасностью впасть в инакомыслие либо подчинить исследование религиозным целям и тем самым...
81784. Формирование опытной науки в новоевропейской культуре 31.1 KB
  Изменяется роль человека в мире. Происходит постепенная смена мировоззренческой ориентации: для человека значимым становится посюсторонний мир автономным универсальным и самодостаточным становится индивид. Отсюда и характерное для эпохи Возрождения стремление познать принципы функционирования механизмов приборов устройств и самого человека.
81785. Наука в собственном смысле слова: классическая наука, неклассическая и постклассическая 30.52 KB
  Таким образом основные стороны бытия науки это вопервых сложный противоречивый процесс получения нового знания; вовторых результат этого процесса т. объединение полученных знаний в целостную развивающуюся органическую систему а не простое их суммирование; втретьих социальный институт со всей своей инфраструктурой: организация науки научные учреждения и т.; этос нравственность науки профессиональные объединения ученых ресурсы финансы научное оборудование система научной информации различного рода коммуникации ученых и т....
81786. Формирование науки как профессиональной деятельности. Возникновение дисциплинарно организованной науки 35.37 KB
  Возникновение дисциплинарно организованной науки. Несмотря на большое значение великих прозрений античности влияние науки арабов средневекового Востока гениальных идей эпохи Возрождения естествознание до XVII в. У истоков науки как профессиональной деятельности стоит Френсис Бэкон 1561 1626 утверждавший что достижения науки ничтожны и что она нуждается в великом обновлении.