Лекция по теме "ЦАП и АЦП"

2.4. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Неотъемлемой частью современных автоматических систем контроля и управления являются преобразователи аналоговых и цифровых сигналов:

·                аналого-цифровые преобразователи (АЦП);

·                цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).

ЦАП - устройство, которое создает на выходе аналоговый сигнал (ток и напряжение), пропорциональный входному сигналу. При этом значение выходного сигнала зависит от опорного напряжения, которое определяет полную шкалу выходного сигнала. Если вместо опорного напряжения использовать любой аналоговый сигнал, то выходной сигнал ЦАП будет пропорциональный произведению входных цифровых и  аналоговых  сигналов. В АЦП цифровой код на выходе определяется отношением преобразующего входного аналогового сигнала к опорному сигналу, который отвечает полной шкале. Если опорный сигнал изменяется по любому закону, то цифровой сигнал на выходе АЦП будет пропорциональный отношению двух аналоговых (входного и опорного) сигналов. В этом случае АЦП можно рассматривать как измеритель отношений или делитель напряжения с цифровым выходом.

В зависимости от области применения на входе ЦАП или выходе АЦП могут быть или однополярные цифровые коды, или биполярные. К первым относятся прямой двоичный и двоично-десятичный коды, а ко вторым - двоичный код со смещением.

В стандартном двоичном коде старший разряд имеет вес      

от значения полной шкалы. Разряд, который следует за старшим разрядом, имеет вес  и так далее в направлении  к младшему разряду с весом , где М - число разрядов преобразователя.

Сумма всех разрядов определяет значение полной шкалы преобразователя. Двоичный код со смещением отличается от прямого тем, что ноль двоичного числа и ноль аналоговой величины не совпадают, как в стандартном двоичном коде, а смещены таким образом, что в старшем разряде устанавливается «0» для всех отрицательных и «1» для всех положительных величин. Поэтому старший разряд определяет полярность цифрового кода (рис. 2.16). Из рисунка видно, что прямой код дает возможность использовать в два раза большую раздельность по сравнению со смещенным.

Рисунок 2.16. Графики соответствия цифровых кодов и аналоговых напряжений

Основными параметрами, которые характеризуют ЦАП и АЦП, являются:

статические характеристики – это нелинейность, монотонность, коэффициент преобразования, абсолютная и относительная погрешность, смещение нуля, раздельная способность;

динамические характеристики – это время установ-ления, время преобразования.

Раздельная способность определяет число дискретных значений исходного сигнала преобразователя, которые составляют его границы преобразования. Может выражаться или в процентах, или в долях к полной шкале, например, двенадцатиразрядный АЦП имеет раздельную способность 1/4096 или 0,0245% полной шкалы.

Нелинейность характеризуется отклонением значений реальной характеристики преобразователя от прямой. Преобразователь считается линейным, если его максимальная погрешность линейности не превышает половины младшего разряда преобразователя.

Монотонность преобразователя означает, что при  каждом приращении входного сигнала происходит прирост выходного сигнала - первая производная от непрерывной функции выход-вход должна быть меньшей нуля.

Коэффициент преобразования - это отношение прироста выходного сигнала к приросту входного сигнала, определяющий угол отклонения характеристики. Для идеального ЦАП отклонение характеристики должно быть таким, чтобы при включении всех разрядов исходное напряжение преобразователя было меньше опорного напряжения на величину младшего разряда.

Степень отклонения реального значения коэффициента преобразования от расчетного характеризуется абсолютной погрешностью, под которой понимают разность между номинальным значением напряжения полной шкалы преобразователя и фактическим его значением.

Погрешность нуля (смещение) для ЦАП - это исходное напряжение ЦАП с нулевым входным кодом, а для АЦП - среднее значение входного напряжения АЦП, которое необходимо для получения нулевого кода на его выходе.

Время установления исходного сигнала ЦАП является важным динамическим параметром и определяется как интервал времени, на протяжении которого исходный аналоговый сигнал ЦАП при изменении кодовой комбинации на его цифровых входах достигает своего установленного значения, которое не превышает предельной погрешности.

Рассмотрим характеристики, которые помогают выбрать тип преобразователя для конкретного применения в разрабатываемых системах и устройствах. Практическую реализацию многоразрядных схем АЦП и ЦАП рационально проводить на основе микросхем, которые содержат основные блоки преобразователей в одном корпусе.

В табл. 2.3 приведены основные типы и параметры микросхем, на основе которых реализуются аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (n -число разрядов, t_np - время преобразования).

Рассмотрим схемы включения и функциональные возможности микросхемы К572ПВ1, которую можно использовать как в режиме АЦП, так и в режиме ЦАП.

На рис. 2.17 приведена схема включения микросхемы в режим АЦП.

Этот АЦП имеет входные каскады с тремя состояниями, благодаря чему может выдавать информацию на системную шину микропроцессорного контроллера. Кодовые выходы могут использоваться не только для вывода, а также для введения дискретных сигналов, так как кодовый канал двунаправленный. Переключение кодового канала на ввод или вывод выполняется сигналом, который подается на вход V (режим).

Таблица 2.3 – Типы АЦП - ЦАП

Если V = 0 - вывод, то  V = 1 - ввод. Перевод канала в  высокоимпедансное состояние выполняется при LE=0  (управление 8 младшими  разрядами канала) и НЕ=0 (управление 4 старшими разрядами).

Благодаря наличию этих входов информация с АЦП может выводиться побайтно на восьмиразрядную шину данных.

Рисунок 2.17. Режим АЦП

Работа преобразователя синхронизируется тактовыми импульсами, которые подаются на вход С с частотой не больше 250 кГц. Опорное напряжение должно иметь противоположную полярность напряжения . Операционный усилитель DA1 используется для преобразования  в напряжение выходного тока. В качестве резистора обратной связи DA1 используется один из резисторов, которые входят в микросхему (выводы 43 и 45) . Компаратор DA2 сравнивает исходное напряжение DA1 с . Результат сравнения подается на вход С1. Запуск АЦП проводится положительным импульсом, который подается на вход ST (старт). Цикл преобразования содержит 28 периодов тактовых импульсов, после чего на выходе DR (готовность данных) формируется положительный импульс. Для организации циклической работы АЦП необходимо соединить между собой ZO (выход цикла) и ZI (вход цикла).

Схема включения микросхемы К572ПВ1 в режиме ЦАП приведена на рис. 2.18.

В этом случае на вход V подается «1» и через кодовый канал входной код N записывается в регистр АЦП. Внешняя кодовая комбинация в регистр может быть записана также последовательно по входу DI синхронно с парами тактовых импульсов, начиная от  младших разрядов. Вход RE разрешает изменение кода во входном регистре при RE=1.

Если RE=0 – формируется сигнал сохранения введен-ного кода. Выводы GA и GD - аналоговая и цифровая земля.

Рисунок 2.18. Режим ЦАП

Список литературы

Романенко В.Д., Игнатенко Б.В. Адаптивное управление технологическими процессами на базе микро-ЭВМ. - К.: Высшая школа, 1990.

Микропроцессоры /Под ред. Л.Н. Преснухина - М.: Высшая школа, 1986.- Т.2.

Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных  устройствах. - Л.: Энергоатомиздат, 1988.

Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник /Под ред. С.В. Якубовского - М.: Радио и связь, 1990.

Микроэлектронные устройства автоматики /Под ред. А.А.Сазонова - М.: Энергоиздат, 1991.