Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Понятие АЦП Для введения в ЭВМ сигналов от аналоговых датчиков чаще всего используются аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Рассмотрим их поподробнее.

Принцип работы. Существует несколько способов аналого-цифрового преобразования, но самые распространенные среди них два: метод с интегрированием и метод последовательных сравнений. Продолжительность преобразования аналогового сигнала в восьмиразрядный код методом с интегрированием обычно составляет 1−20 мс, а методом последовательных сравнений 10−30 мкс.

Основные критерии для выбора необходимого АЦП — время преобразования, точность и стоимость преобразователя. Преобразователи, работающие по методу с интегрированием, имеют малую стоимость и превосходную точность, но отличаются относительно большой продолжительностью преобразования. Метод последовательных сравнений обеспечивает высокую скорость преобразования, но стоимость преобразователей, работающих по этому принципу, резко растет по мере увеличения необходимой точности преобразования.

АЦП с интегрированием При аналогово-цифровом преобразовании с интегрированием могут использоваться несколько вариантов: с одним, двумя и более наклонами интегрирования. Наиболее широко используется метод с двумя наклонами интегрирования (с двойным интегрированием) (рис. 10.2.1а). Схема такого преобразователя содержит интегратор на основе усилителя У₁ с цепью RC₁ и компаратор на усилителе У₂. Такой преобразователь имеет хорошую линейность характеристики, малые шумы и низкую стоимость. Его рабочий цикл содержит три периода (рис. 10.2.1б): коррекция нуля (Ф1), интегрирование входного сигнала (Ф2) и интегрирование опорного напряжения (Ф3).

Сначала, в течении периода Ф1, производится автоматическая коррекция сигнала ошибки путем регулировки напряжения смещения. При этом вход преобразователя замыкается на корпус, организуется петля обратной связи и информация об ошибке запоминается на конденсаторе С₂. В следующем периоде Ф2 производится интегрирование входного сигнала и одновременно отсчет некоторого постоянного числа тактовых импульсов. В конце этого периода на выходе интегратора получается напряжение, пропорциональное значению входного сигнала. В последнем периоде Ф3 на вход интегратора вместо исходного сигнала подается опорное напряжение противоположной полярности. Одновременно производится счет тактовых импульсов, и так вплоть до выравнивания напряжения с уровнем сравнения компаратора. Цифровой эквивалент входного сигнала определяется следующим образом. Если Т₂ — длительность первого интервала интегрирования (период Ф2), а Т₃ — длительность второго интервала интегрирования (период Ф3), измеряемые путем подсчета тактовых импульсов, то цифровое значение входного сигнала .

При способе преобразования с двойным интегрированием точность преобразования не зависит от емкости конденсатора и частоты тактового генератора при условии их стабильности в течение короткого периода интегрирования, а зависит лишь от стабильности опорного напряжения. Еще одним достоинством этого способа является чрезвычайно низкий уровень шумов. Недостаток метода в сравнительно большой продолжительности преобразования.

АЦП c последовательным сравн…

Компараторы 3 с выходными ключами б образуют каналы сравнения от первого, младшего предела (компаратор этого канала подсоединен непосредственно ко входу 1 измеряемой величины) до k-ого, наибольшего старшего предела (компаратор этого канала подсоединен к выходу оконечной ступени делителя).

По начальным сигналам блока 5 управления триггеры 7 и триггер 13 переключаются в положение, при котором оказываются деблокированными все ключи 6 и элементы И 8 и 9, а ЦАП 4 переключается в положение, при котором на его выходе устанавливается максимальное значение напряжения. Это напряжение параллельно сравнивается во всех компараторах с масштабно-преобразованными значениями измеряемой величины.

Допустим, что если напряжение на измерительном входе компаратора превышает напряжение на его опорном входе или равно ему, то на выходе компаратора появляется единичный сигнал. В противном случае выходной сигнал компаратора оказывается нулевым.

Если измеряемая величина не превышает установленного максимального значения ЦАП (т.е. не превышает первого предела измерений), то на выходе всех компараторов и соответствующих ключей сигналы будут нулевыми. Эти нулевые сигналы в каждой соседней паре каналов инвертируются элементами НЕ 10 и при этом на выходе каждого из элементов И 9 появляется единичный сигнал, по которому в каждом канале, начиная с (i + 1)-го (кроме первого i = 1, k), блокируется ключ.

Когда измеряемая величина в i-м канале превышает максимальное напряжение ЦАП, единичный сигнал компаратора этого канала передается через соответствующий элемент И 8 и ИЛИ 11 и переключает подсоединенный к этому элементу триггер 7, с изменением выходного сигнала которого блокируется ключ 6 этого триггера.

Если измеряемая величина превышает опорное напряжение компараторов только первых р каналов, то аналогичным образом блокируются ключи этих р каналов и ключи каналов от р + 2-го до k го, а ключ р + 1-го канала остается деблокированным. Тем самым в последующем обеспечивается уравновешивание масштабно-преобразованной величины, не превышающей р + 1-го предела измерений.

С задержкой во времени, необходимой для выбора канала сравнения в соответствии с требуемым пределом измерения, блок управления переключает триггер 13, изменение выходного сигнала которого приводит к блокировке всех элементов И 8, 9. Тем самым в дальнейшем, в процессе поразрядного уравновешивания, исключается воздействие выходных сигналов компараторов блокированных каналов на состояния ключей 6, установленные при выборе предела.

Одновременно с переключением триггера 13 блок управления устанавливает требуемое напряжение ЦАП, равное половине младшего поддиапазона, и начинается обычный процесс поразрядного уравновешивания измеряемой величины известным образом. Выходные сигналы компаратора выбранного канала передаются в блок управления через элемент ИЛИ 12.

После завершения уравновешивания и считывания кода из регистра ЦАП цикл преобразования повторяется. Код масштаба преобразования отображается состоянием триггеров 7. Выбор предела и формирование этого кода выполняются в такте переключения АЦП в исходное состояние, т. е. практически без дополнительных затрат времени по сравнению с однопредельным АЦП.

До недавнего времени АЦП двоичного поразрядного уравновешивания (традиционной схемы) выпускались только в гибридном исполнении. При использовании блоков выборки/хранения их разрядность составляет от 12 до 14 бит, а быстродействие — от единиц мегагерц до сотен килогерц соответственно. На сегодня несколько фирм освоили производство интегральных 14ч18 — разрядных АЦП, содержащих блок выборки/хранения.

Основные характеристики АЦП Поскольку каждый АЦП имеет свои особенности, обусловленные принципом преобразования, при выборе того или иного типа преобразования необходимо исходить из цели применения с учетом следующих наиболее важных характеристик этих устройств.

Разрешающая способность. Под разрешающей способностью обычно понимается минимальное значение аналогового сигнала, которое еще может различаться преобразователем. Разрешающая способность n-разрядного АЦП равна частному от деления на 2ⁿ диапазона входного аналогового напряжения. В некоторых случаях разрешающая способность определяется в процентах диапазона входного напряжения.

Точность. В процессе квантования входного сигнала U_вх на шаг Q по уровню происходит округление его до ближайшего цифрового значения в пределах самого младшего разряда цифрового кода, как следует из рис. 10.6.1.

Погрешность нелинейной характеристики. Нелинейность — это отклонение передаточной характеристики преобразователя от идеальной прямой линии. При этом возникают два рода погрешностей, связанных с нелинейностью характеристики:

линейная погрешность, отражающая общую кривизну передаточной характеристики;

линейная погрешность (дифференциальная), обусловленная искривлениями характеристики на отдельных ее участках.

Линейная погрешность определяется максимальным отклонением передаточной функции преобразователя от прямой линии, соединяющей оба конца интервала преобразования. Эта погрешность измеряется в процентах диапазона преобразования или в долях самого младшего разряда. Дифференциальная линейная погрешность — это отклонение от указанной выше прямой на произвольных участках преобразования за пределы одного бита. При дифференциальной линейной погрешности более 1 самого младшего разряда возникают ошибочные коды, а в выходном цифровом сигнале происходит скачок, т. е. нарушается монотонность преобразования. Природа возникновения упомянутых погрешностей поясняется на рис. 10.6.2., где 1LSB — изменение U_вх на один цифровой разряд, а LSB — возникающая погрешность.

Погрешность смещения измеряется значением входного сигнала, необходимым для обеспечения равенства выходного цифрового кода нулю. Погрешность усиления характеризуется разницей в наклоне реальной и идеальной передаточных характеристик преобразования. Температурная погрешность накладывается на все другие выше перечисленные погрешности, т. е. от температуры зависит и дифференциальная линейная погрешность, и погрешность смещения, и погрешность усиления.

Скорость преобразования. Временной интервал, необходимый для осуществления правильного преобразования (временная апертура), зависит от скорости изменения входного сигнала и заданной разрешающей способности преобразования. Если изменение входного сигнала во время квантования превысит значение одного бита, то выходной код АЦП уже не будет соответствовать истинному значению входного сигнала.

Понятие цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

Задача цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) — преобразование двоичного кода в выходное напряжение, пропорциональное весовым коэффициентам разрядов двоичной системы счисления (8,4,2,1). Наиболее простая схема ЦАП представляет собой взвешивающую резистивную матрицу из сопротивлений R, 2R, … (pис. 10.7.1a), в которой сумма токов, протекающих через резистор R₀, пропорциональна весовым коэффициентам двоичных разрядов, а выходное напряжение при R₀R пропорционально двоичному числу.

Условие R₀R должно выполняться в тех случаях., когда источники выходных сигналов имеют заметное внутреннее сопротивление R_и1, R_и2, … (для идеальных источников с R_и=0, R₀ может быть бесконечно большим). В качестве входных источников в ЦАП используют формирующие ключи К₁, К₂, … (рис. 10.7.1б), которые обеспечивают стабильные уровни напряжений логической 1, равные опорному напряжению U. При R₀R единичные приращения U_вых могут оказаться соизмеримыми с уровнем шумов.

Для увеличения выходного сигнала можно использовать операционный усилитель с отрицательной обратной связью через резистор R_ОС (рис. 10.7.2а).

Схему с ОС нетрудно преобразовать в схему без обратной связи (рис. 10.7.2б) с вносимым сопротивлением, определяемым формулой:

.

где К — коэффициент усиления ОУ. В такой схеме R_вн выполняют функции резистора R₀ (рис. 10.7.3.) и позволяет обеспечить условие R₀R. Так, при R_ОС=10⁴ Oм и K=10⁵ Oм уровень выходного напряжения равен:

. (10.1).

Недостаток схем ЦАП с ОУ — сравнительно невысокое быстродействие, которое определяется частотными параметрами ОУ.

Рис. 10.7.3. Матрица резисторов для ЦАП и обозначение ЦАП.

Общий недостаток ЦАП со взвешивающими резистивными матрицами проявляется при большом числе двоичных разрядов (n=8…12) из-за большого различия сопротивлений взвешивающих резисторов (в 2ⁿ раз), которые трудно реализовать в интегральном исполнении. Для преодоления этого недостатка используют отдельные взвешивающие матрицы для младших, средних и старших разрядов двоичного кода с дополнительным пропорциональным делением выходных напряжений матриц не старших разрядов или резистивные матрицы типа R-2R (рис. 10.7.3а).

Контрольные вопросы.

• 1. Дайте определение понятию АЦП, опишите его принцип работы.
• 2. Приведите схему АЦП с интегрированием.
• 3. Приведите схему АЦП с последовательностным сравнением.
• 4. Каковы основные характеристики АЦП?
• 5. Дайте определение понятию ЦАП.