ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ И АНАЛОГОВО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ (ЦАП И АЦП)

Тенденцией развития современной электроники является все большее применение цифровых методов обработки информации с помощью микропроцессоров (МП) и микроконтроллеров (МК). Информация, снимаемая с аналоговых датчиков, для ввода в МП должна быть оцифрована с помощью АЦП. Выводимая цифровая информация для воздействия на исполнительные устройства должна быть обратно преобразована в аналоговую и для этого используются ЦАП.

ЦАП. Принципы построения ЦАП.Большинство схем ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорционально весу цифрового разряда, причем суммироваться должны токи разрядов, на входах которых стоит «1». Для построения ЦАП могут быть применены 2 схемы:

· основанные на двоично-взвешенных резисторах на входе операционного усилителя (ОУ);

· основанные на матрице резисторов R-2R.

ЦАП с взвешенными резисторами.Базовым элементом для построения ЦАП этого типа является суммирующий ОУ (рисунок 10.1) . Для простоты на рисунке представлена схема только с четырьмя разрядами («0» - младший разряд, «3»-старший разряд), на самом деле имеются 8-, 12-, 16- и 24- разрядные ЦАП. Номиналы резисторов каждого двоичного разряда отличаются в два раза: R₁=R; R₂=2R; R₃=4R; R₄=8R.

Рис. 10.1. ЦАП с взвешенными резисторами

С цифровых входов информация (« 0» или «1») подается на базы ключей. Если на входе «1», то транзисторный ключ открыт и через открытый транзистор в суммирующую точку от U_оп поступает ток, причем ток разряда в 2 раза выше, чем ток предыдущего, более низкого разряда; если же на входе «0» – транзистор закрыт, ток не протекает.

Таким образом, для преобразования двоичного кода в аналоговый сигнал в схеме формируются токи, пропорциональные весу разряда и существуют только те из токов, которые соответствуют ненулевым разрядам.

Величина выходного напряжения равняется (если на входах везде «1»):

U_вых=-U_оп ( + + + ). В общем случае

U_вых= -U_оп , где n- номер разряда; А –цифровой код на входе.

Резисторы должны быть очень точны, особенно старшего разряда, а получить столько точных резисторов различных номиналов (особенно в интегральном исполнении) дорого.

ЦАП с цепочкой R-2R. В данномварианте имеются резисторы только двух номиналов R и 2R (рисунок 10.2) . Здесь необходимо применение ключей на два направления. Работа схемы основана на том, что любая часть цепочечной схемы R-2R имеет выходное сопротивление, равное R.

Опорное напряжение, подключенное ключом старшего разряда, создаст ток U_оп/2R, ток следующего разряда равен U_оп/4R т.д.

I_вх = + + + (если на входе все единицы);

U_вых = - A, где А- преобразуемое двоичное число.

АЦП.АЦП преобразует аналоговое входное напряжение в пропорциональный ему цифровой код. Основные параметры, по которым можно классифицировать АЦП, - это быстродействие и точность. Как правило, упор делается или на быстродействие, или на точность. Например, АЦП, построенные по методу двухтактного интегрирования, являются очень точными, но имеют низкое быстродействие. АЦП с параллельным преобразованием очень быстродействующие, но имеют среднюю точность. АЦП, встроенные в МК, как правило, имеют среднее быстродействие и среднюю точность.

Рассмотрим несколько типов АЦП. Наиболее быстродействующие, использующие параллельный метод; наиболее точные, использующие метод двойного интегрирования, и средние по быстродействию, использующие метод последовательного приближения.

Параллельные АЦП.Параллельные АЦП осуществляют параллельное квантование сигнала с помощью набора компараторов , подключенных параллельно входному сигналу, - по одному компаратору на каждый дискретный уровень входного сигнала (рис 10.3). На этом рисунке показан 3-х разрядный АЦП, имеющий восемь дискретных уровней, включая нуль, следовательно нужно семь компараторов.

В любой момент времени только компараторы, соответствующие уровням, ниже уровня входного сигнала, выдадут на своём выходе сигнал превышения («1»). Сигналы со всех компараторов поступают на шифратор, который выдаёт цифровой код, зависящий от того, сколько и какие компараторы показали превышение.

Параллельные АЦП (рисунок 10.3) очень быстры (время преобразования порядка наносекунд), но обычно имеют разрешение не более 8 бит (256 компараторов). АЦП этого типа имеют очень большой размер кристалла микросхемы, высокую входную ёмкость.

Рис. 10.3 Схема параллельного АЦП

Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП содержит 2N-1 компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.

АЦП по методу последовательного приближения(рисунок 10.4) построен на базе ОУ, который работает как компаратор. Имеется также вспомогательный ЦАП и регистр последовательного приближения. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой за n шагов, где n– разрядность АЦП. На каждом шаге определяется по одному биту искомого цифрового значения, начиная от старшего значащего разряда (СЗР) и заканчивая младшим (МЗР)..

Последовательность действий по определению очередного бита заключается в следующем. На вспомогательном ЦАП выставляется аналоговое значение, образованное из битов, уже определённых на предыдущих шагах; бит, который должен быть определён на этом шаге, выставляется в 1, а более младшие биты устанавливается в 0. Полученное на вспомогательном ЦАП значение сравнивается с входным аналоговым значением.

Если значение входного сигнала больше значения на вспомогательном ЦАП, то определяемый бит получает значение 1, в противном случае - 0. АЦП этого типа обладают одновременно высокой скоростью и хорошим разрешением.

Время преобразования равно:

t_пр = , где f_тг – частота тактового генератора.

Если f_тг = 1 МГц; n=8, то t_пр= ; f_дискр , где f_{дискр –} частота дискретизации.

Метод имеет среднее быстродействие, при сравнении небольших аппаратных затратах, широко применяется во встроенных в МК АЦП. Примером АЦП последовательного приближения является 1108ПВ2 с временем преобразования 2 мкс.

АЦП с двухтактным интегрированиемпредставлен на

рисунке 10.4.

Преобразование осуществляется в две стадии. На первой стадии (время t₁) ключ S1 замкнут, S2 разомкнут, осуществляется интегрирование входного напряжения. Напряжение Uи достигает определенного значения, пропорционального Uвх.

На второй стадии S1 размыкается и замыкается S2. Начинается интеграция напряжения U_оп , при этом счетчик подключается к выходу тактового генератора. Стадия счета заканчивается, когда Uи становится равным нулю. Цифровой код в выхода счетчика подается в выходной регистр.

Посчитанное количество тактовых импульсов и будет выходным кодом АЦП. При этом погрешности преобразования первой и второй стадий взаимно компенсируются.Типичная разрядность АЦП этого типа составляет от 10 до 18 двоичных разрядов. Недостатком данного типа АЦП является низкая скорость преобразования.

. Пример АЦП с двухтактным интегрированием: отечественный АЦП КР572ПВ5, выполняет функцию АЦП с автоматической коррекцией нуля и определением полярности входного сигнала. Время преобразования – 320 мкс.

Параметры АЦП и ЦАП.Параметры можно разделить на статические и динамические.

Дата добавления: 2014-10-10; просмотров: 849; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!