Элементы сопряжения аналоговых и цифровых устройств

В результате изучения данной главы студенты должны: знать: структуру и принципы действия аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей;

уметь: проводить классификацию аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей;

владеть: технологией сопряжения аналоговых и цифровых устройств.

Элементы дискретно-аналоговых систем

Цифровые вычислительные устройства, служащие основой большинства современных систем обработки информации и управления, содержат необходимые для совместной работы аналоговых и дискретных устройств элементы, например блоки сопряжения с кнопками управления и клавиатурой, релейными схемами, системами индикации и отображения информации. Минимальный состав цифровой системы обработки аналогового сигнала V (t) содержит аналоговый преобразователь (АП), цифровое вычислительное устройство (ЦВУ), силовое исполнительное устройство (ИУ), а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), соответственно осуществляющие переход от аналогового сигнала к числовой последовательности и восстановление непрерывного сигнала по его цифровому представлению (рис. 18.1).

Параметры преобразователей, аналого-цифровых (ADC — Analog to Digital Converter) и цифро-аналоговых (DAC — Digital to Analog Converter), такие как разрядность, быстродействие, число каналов, существенно влияют на характеристики всей системы обработки информационных сигналов.

Рис. 18.1. Структура аналого-цифровой системы.

На вход АЦП подается усиленное до требуемого уровня аналоговое напряжение u (t) с ограниченным посредством фильтрации частотным спектром. Процедура преобразования нормализованного напряжения в цифровую форму содержит ряд операций (дискретизацию, квантование, кодирование), осуществляемых соответствующими преобразователями (рис. 18.2).

Рис. 18.2. Структура аналого-цифрового преобразователя.

Дискретизация осуществляется с помощью устройства выборки-хранения (УВХ), обычно реализуемого на основе полупроводникового ключа и запоминающего конденсатора, включенных между буферными усилителями. Выходное напряжение идеального УВХ описывается соотношением u₂(t) = u (kT) в интервалах kT< t < (k + 1 )Т. Вследствие динамических процессов форма кривой выходного напряжения отличается от ступенчатой.

Распределение выборок по уровням осуществляется посредством квантования. Диапазон непрерывных значений входного сигнала U = f/_max — lJ_mm подразделяется на Л^г равных интервалов с шагом квантования h = U/N. Если входное напряжение удовлетворяет условию О' - 1) А < и < jh, т. е. находится в j-м интервале, то выходной сигнал принимает значение Uj = jh.

Присвоение уровню соответствующего числового эквивалента a{kT) называют кодированием. На выходе АЦП создается последовательность двоичных чисел а (0), а (Г),…, а (kT) с периодом, задаваемым импульсами синхронизации по входу с.

Цифро-аналоговый преобразователь выполняет декодирование цифровой последовательности, представленной двоичным кодом, и вырабатывает на выходе электрический сигнал (напряжение или ток), пропорциональный в моменты отсчетов значениям входной цифровой последовательности. Принцип действия ЦАП, например, со взвешенными значениями сопротивлений резисторов состоит в суммировании токов, создаваемых опорным источником в резисторах (рис. 18.3, а)

Управляемые разрядами входного кода, а = a₂aja₀ полупроводниковые ключи К₂, К, Ко подключают токи, пропорциональные.

Рис. 183. Структура ЦАП (я), диаграмма работы (б) и переходная характеристика (в).

весам двоичных разрядов, к суммирующему узлу ОУ, который преобразует суммарный ток /у в напряжение:

В идеальном преобразователе выходное напряжение устанавливается в момент подачи входного кода и остается неизменным до его изменения через интервал времени Т (рис. 18.3, б). Быстродействие ЦАП, определяемое инерционностью элементов, характеризуется переходной функцией при максимальном изменении входного кода (рис. 18.3, в). В качестве динамических параметров используют время нарастания t_H или интервал времени переключения от момента изменения входного кода до значения с заданной погрешностью.

Основные статические параметры преобразователей определяют по характеристикам передачи (проходным). Проходная характеристика АЦП, описывающая операции квантования и присвоения кодов, имеет вид ступенчатой (нелинейной) зависимости (рис. 18.4).

Общее число уровней дискретизации выбирается из условия N = 2″  — 1, где п — число разрядов двоичного кода. Одним из основных классификационных параметров преобразователя является разрешающая способность (или дискретность), численно рав;

Рис. 18.4. Характеристика передачи преобразователей пая шагу h квантования по уровню. Разрешающая способность обычно выражается в процентах или долях полной шкалы. Так, 14-разрядный преобразователь (п = 14) может обеспечить разрешающую способность 0,006%, что при напряжении полной шкалы U = 10 В дает шаг квантования h = 0,6 мВ.

Полученное при высокой разрядности квантователя небольшое относительное значение шага позволяет считать его проходную характеристику линейной, а ступенчатость учитывать в форме погрешности. При произвольном изменении аналогового сигнала погрешность квантования является случайной величиной с нулевым средним значением и дисперсией а² = К¹/12. Это дает возможность оценки в линейном приближении динамического диапазона преобразования при максимальном значении сигнала, определяемом напряжением полной шкалы (f/_max = U), и минимальным значением, равным среднеквадратичному уровню шума квантования (t/_min ⁼ A/Vl2 ~ 0,29/?). Для я-разрядного преобразователя динамический диапазон, выраженный в децибелах, описывается соотношением.

Так, с использованием 14-разрядиого преобразователя (п = 14) можно получить динамический диапазон Ь_дБ ~ 94 дБ.

Проходные характеристики реальных преобразователей отличаются от приведенной идеальной ступенчатой функции неравенством уровней, отклонением от линейности, смещением относительно начала координат. Степень совпадения реальной характеристики с идеальной определяет точность преобразования, количественно описываемую погрешностью полной шкалы, которая выражается в единицах младшего разряда h (ЕМР).

Как электронные приборы АЦП и ЦАП описывают системой общепринятых для полупроводниковых микросхем параметров: напряжениями источников электропитания и потребляемыми токами, входными и выходными напряжениями высокого и низкого уровней, максимальной частотой преобразования. Набор параметров должен при оговоренных допущениях полностью описывать работу преобразователя в статическом и динамическом режимах.

Применение цифровой обработки сигналов в информационных измерительных системах привело к использованию в нормативнотехнической документации для описания АЦП и ЦАП точностных параметров: нелинейности статической характеристики передачи, абсолютной погрешности в конечной точке шкалы. В соответствии с принципом функционирования проходная характеристика ЦАП г/_ць, х (^а) повторяет характеристику передачи АЦП а (и_их) при замене входа на выход. Идентичность проходных характеристик АЦП и ЦАП позволяет описывать их единой системой параметров. Динамические параметры АЦП и ЦАП зависят от структуры и метода преобразования.