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

150 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

19326. Восточные истории Шахрезады. Воспитательное мероприятие 50.5 KB
  Восточные истории Шахрезады. Полумрак. На заднем плане пестрые ткани закрывают сцену. На авансцену выходит Шахрезада. Шахрезада ЛизаПриветствую вас севера цветы Зимы холодной долгой темноты Метели буйной вы родные дети. Пусть сбудутся прекрасные мечты – По...
19327. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ АРХИТЕКТУРЫ 84.5 KB
  АК ЛЕКЦИЯ № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОНЯТИЯ АРХИТЕКТУРЫ Развитие Вычислительной Техники ВТ обусловлено успехами в 3х областях: 1. В технологии производства как элементарной базы ВТ так и самих машин в целом. 2. В принципах организации ВМ успехи в развитии архитектуры. 3. В...
19328. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭВМ 88.5 KB
  АК ЛЕКЦИЯ № 2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭВМ Характеристики: 1. Операционные ресурсы ЭВМ – это грубо говоря перечень возможностей ЭВМ. Сюда включаются: 1. Способы представления информации в ЭВМ 2. Система команд ЭВМ 3. Способы адресации Операционные ресурсы ЭВМ на
19329. ПРИНЦИПЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ 85.5 KB
  АК ЛЕКЦИЯ № 3. ПРИНЦИПЫ ПРОГРАММНОГО УПРАВЛЕНИЯ Принципы программного управления Принцип программного управления ППУ впервые был сформулирован Венгерским математиком и физиком Джоном фон Нейманом при участии Гольцтайна и Берца в 1946 году. ППУ включает в себя н...
19330. СТРУКТУРЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ 111 KB
  АК ЛЕКЦИЯ № 5 СТРУКТУРЫ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ Характеристики систем памяти В любой ВМ вне зависимости от ее архитектуры программы и данные хранятся в памяти. Функции памяти обеспечиваются запоминающими устройствами ЗУ предназначенными для фиксации хране...
19331. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБ АЛУ 592 KB
  АК ЛЕКЦИЯ 8 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ОБ АЛУ АРИФМЕТИКОЛОГИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО АЛУ – одна из основных функциональных частей процессора осуществляющая непосредственное преобразование информации. Все операции выполняемые в АЛУ можно разделить на следующие группы: ...
19332. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АУ 630.5 KB
  АК ЛЕКЦИЯ № 9 КЛАССИФИКАЦИЯ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ АУ РУС Структура алу Обобщенная структурная схема АЛУ рис. 7.1 включает: блок регистров для приема и размещения операндов и результатов; операционный блок в котором осуществляется преобразование операндов в с
19333. АУ C ФИКСИРОВАННОЙ ЗАПЯТОЙ 425.5 KB
  АК ЛЕКЦИЯ № 10 АУ C ФИКСИРОВАННОЙ ЗАПЯТОЙ Базис целочисленных операционных устройств Для большинства современных ВМ общепринятым является такой формат с фиксированной запятой ФЗ когда запятая фиксируется справа от младшего разряда кода числа. По этой причине со...
19334. УСКОРЕНИЕ ЦЕЛОЧИСЛЕННОГО УМНОЖЕНИЯ 195 KB
  АК ЛЕКЦИЯ № 11 УСКОРЕНИЕ ЦЕЛОЧИСЛЕННОГО УМНОЖЕНИЯ Методы ускорения умножения можно условно разделить на аппаратные и логические. Те и другие требуют дополнительных затрат оборудования которые при использовании аппаратных методов возрастают с увеличением разряднос...