Аналогово-цифровые преобразователи. Цифро-аналоговые преобразователи. Схемы и принцип работы.

АЦП – это устройства для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Этапы: дискретизация, квантование и кодирование. Квантование – процесс замены истинного значения отсчета дискретного сигнала приближенным (разрешенным). Разрешенные значения называются уровнями квантования, а интервал между ними – шагом квантования. Возникающая при этом ошибка является разностью между квантованной величиной и истинным значением сигнала и не превышает половины шага квантования(0.5h). Равномерное и неравномерное (нелинейное).

К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и др.

Число разрядов – количество разрядов кода. Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность (2¹⁰ = 1024)^-1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10 В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10 мВ. Время преобразования t_пр – интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Рассмотрим вариант АЦПс последовательным преобразованием входного сигнала (последовательного счета), который называют АЦПсо следящей связью. В АЦПрассматриваемого типа используется ЦАПи реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе U_вх и на выходе ЦАП-U. Если входное напряжение U_вх больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства U_вх и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Метод последовательного преобразования реализуется в АЦПс генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Принцип действия основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение, увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения U_вх. Использованы следующие обозначения: СС – схема сравнения.

Отмеченный во временной диаграмме момент времени t₁ соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени t₂ соответствует равенству входного напряжения и напряжения ГЛИН. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства U_вх и U_глин, Через U_сч обозначено напряжение на входе счетчика. Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению.

Принцип действия АЦП с двойным интегрированием состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения U_вх интегратором на основе ОУ (напряжение U_и на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего – интегрирование опорного напряжения U_оп (U_и меняется от максимальной по модулю величины до нуля). Ключ К3 предназначен для установки интегратора в исходное нулевое состояние. В первый из указанных отрезков времени ключ К1 замкнут, ключ K2 разомкнут, а во второй отрезок времени их состояние является обратным. Одновременно с замыканием ключа K2 импульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать через схему управления СУ на счетчик Сч. Поступление этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на выходе интегратора оказывается равным нулю.

Код на выходе счетчика определяет величину входного напряжения.

Одним из основных преимуществ АЦП рассматриваемого типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения в течение короткого времени практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Недостаток АЦП – малое быстродействие.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др. Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления t_уст – интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выходной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности – максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

ЦАП с суммированием весовых токов.

Ключ S₅ замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S₁...S₄ (при этом U_вых = 0). U_o – опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа. По существу этот ЦАП – суммирующий усилитель на основе операционного усилителя. Так, если замкнут один ключ S1, то , что соответствует единице в первом и нулям в остальных разрядах. Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S1...S4. Токи ключей S1...S4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Из вышеизложенного следует, что

т. е. ,

Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

ЦАП на основе резистивной матрицы R–2R (матрицы постоянного сопротивления).

В схеме использованы перекидные ключи S1...S4, каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S5 замкнут только тогда, когда все ключи Sl...S4 подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей Sl...S4. Пусть каждый из ключей S1...S4 подключен к общей точке. Тогда, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»... «d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а», (напряжения U_a, U_b, U_c и U_d в указанных точках определяются следующим образом: U_d = U₀; U_c = U_o/2; U_b = U₀/4; U_a = U₀/8). Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжение в точках «a»... «d» не изменяется, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

Из вышеизложенного следует, что

,

т. е. , где S_i, i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0,если ключ разомкнут.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: