Аналого-цифровые (АЦП) и цифроаналоговые (ЦАП) преобразователи

Преобразование аналогового сигнала в цифровой и обратное преобразование применяется в измерительной технике (осциллографы, вольт метры, генераторы и т.д), В бытовой аппаратуре (телевизор, музыкальные центры, автомобильная электроника и т.д), в компьютерной технике (ввод и вывод звука, видеомониторы, принтеры и т.д), в медицинской технике, в телефонии и т.д.
При этом применение АЦП и ЦАП постоянно расширяется по мере перехода от аналоговых устройств к цифровым.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП или ADC)

АЦП преобразует аналоговые сигналы в цифровые, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки обработки или хранения.
В общем случае микросхему АЦП можно в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала.

Часто микросхема АЦП имеет так же входы для подачи тактового сигнала CLK, сигнала разрешения работы CS и выход для выдачи сигнала RDY, указывающего на готовность выходного цифрового кода. На микросхему подаётся одно или два питающих напряжения.
Опорное напряжение АЦП задаёт диапазон входного напряжения, в котором производится преобразование. Оно может быть постоянным или же допускать изменение в некоторых пределах. Иногда предусматривается подача на АЦП двух опорных напряжений с разными знаками, тогда АЦП способен работать как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями.
Выходной цифровой код N (n — разрядный) однозначно соответствует уровню входного напряжения. Код может принимать 2ⁿ значений, то есть АЦП может различать уровней входного напряжения. Количество разрядов выходного кода n представляет собой важнейшую характеристику АЦП. В момент готовности выходного кода выдаётся сигнал окончания преобразования RDY, по которому внешнее устройство может читать код N.
Управляется работа АЦП тактовым сигналом CLK, который задаёт частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота — второй важнейший параметр АЦП. В некоторых микросхемах имеется встроенный генератор тактовых сигналов, поэтому к их выводам подключается кварцевый генератор или конденсатор, задающий частоту преобразования. Сигнал CS разрешает работу микросхемы.
Выпускается множество самых разнообразных микросхем АЦП, различающихся скоростью работы (частота преобразования от сотен килогерц до сотен мегагерц), разрядностью (от 6 до 24), допустим диапазонами входного сигнала, величинами погрешностей, уровнями питающих напряжений, методами выдачи выходного кода (параллельный или последовательный), другими параметрами. Обычно микросхемы с большой количеством разрядов имеют невысокое быстродействие, а наиболее быстродействующие микросхемы имеют небольшое число разрядов. В качестве базового элемента любого АЦП используется компаратор напряжения, который сравнивает два входных аналоговых напряжения и в зависимости от результата сравнения выдаёт выходной цифровой сигнал (0 или 1).
Существует два основных принципа построения АЦП: параллельный и последовательный.
Принцип преобразования параллельного типа заключается в одновремённом сравнении входного напряжения с n опорными напряжениями и определением, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит.
Схема 3-х разрядного параллельного так же представлено на рисунке:

Схема такого АЦП содержит резистивный делитель из резисторов, который делит опорное напряжение Uоп на (2ⁿ-1) уровней.
Входное напряжение U_вх сравнивается с помощью (2ⁿ-1) компараторов с уровнями (). Выходные сигналы компараторов (X1,X2....X7) с помощью кодирующего преобразователя преобразуется в n — разрядный (n = 3) двоичный код Z0 Z1 Z2.
Процесс преобразования происходит очень быстро, поэтому частота преобразования может достигать сотен МГц. Правда, они требуют применения большого количества компараторов, что вызывает технологические трудности при большом количестве разрядов (при n = 12 требуется 4095 компараторов).
Поэтому АЦП параллельного типа выпускают с числом разрядов n = 4...8
При необходимости иметь больше 8 разрядов применяют АЦП последовательного преобразования, недостатком которых являются малое быстродействие, что приводит к апертурной погрешности АЦП. Апертурная погрешность связана со скоростью изменения измеряемого сигнала (U_вх/dt). За время преобразования (tпр) в цифровой сигнал Uвх изменяется и возникает неопределённость, какое мгновенное значение U_вх(t) преобразовано в код. Для уменьшения апертурной погрешности перед АЦП последовательного преобразования устанавливается схема выборки и хранения.

Устройство выборки и хранения (УВХ)

Где ƒ_т — тактовые импульсы выборок. Буферы DА1 и DА2 имеют Rвх → ∞ и R_вых → 0. Ключ S1 переключается с такой частотой ƒ_т. Буфер DA1 благодаря малому Rвых позволяет конденсатору С1 зарядиться до мгновенного значения входного напряжения в каждом импульсе выборки (режим выборки). В интервале между импульсами выборок ключ S1 разомкнут и заряд удерживается на конденсаторе вследствие большого Rвх буфера DА2. (режим хранения) В течении времени хранения АЦП осуществляет преобразование выбранного мгновенного значения в код. Частота ƒ_т взятия выборок (отчётов) мгновенных значений должна удовлетворять неравенству: ƒ_т ≥ 2ƒmax, где ƒmax — наибольшая частота спектра аналогового сигнала Uвх.

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП или DAC)

ЦАП преобразует цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы. В общем случае микросхему ЦАП можно представить в виде блока, имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход.

На цифровые входы ЦАП подаётся n — разрядный код N, на аналоговый выход — опорное напряжение Uоп (другое распространенное обозначение — U_ref). Выходным сигналом является напряжение Uвых (другое обозначение — U_o) или ток Iвых (другое обозначение l_o). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорционально входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода и любое опорное напряжение.
Кроме информационных сигналов микросхемы ЦАП требуют также подключения одного или двух источников питания и общего провода.
В качестве примера рассмотрим схему реализации 4 — разрядного (n — 4) ЦАП.

Транзисторные ключи S1...S4 управляются цифровым кодом X3X2X1X0. Резисторы R₀/8, R₀/4, R₀/2, R₀ высокоточные двоично взвешенные.
Преобразования цифрового кода в выходной аналоговый сигнал основано на представлении двоичного числа Х в виде суммы степеней числа 2: X=X3g2³+X2g2²+X1g2¹+X0g2⁰, где Х3, X2, X1, X0 могут принимать значения 0 или 1.(0 — при разомкнутом ключе, 1 — при замкнутом ключе). Выходное напряжение ЦАП будет связано со входным кодом Х и опорным напряжением U_оп формулой:
Знак минус получается из — за инверсии сигнала ОУ.
Таким образом, при входном коде 0000 выходное напряжение Uвых = 0, а при входном коде 1111 оно будет ровно Uвых = - К (X=1g2³+1g2²+1g2¹+1g2⁰) = - К • 15. Значение К выбирают таким, чтобы U_вых ≤ U_оп.

Сменяющиеся входные коды обусловливают сменяющееся напряжение на входе ЦАП:

От единицы в первом разряде (Х_о = 1) на выходе появляются напряжения U_вых = ΔU (0001). При коде 1111 напряжение на выходе ЦАП равно:
U_вых = 1 (8 • ΔU) + 1(4 • ΔU) + 1(2 • ΔU) + 1 • ΔU = 15 • ΔU. Таким образом, выходной сигнал ЦАП состоит из ступенек, высота которых кратна U_вых/2ⁿ, а модуль U_вых пропорционален числу, двоичных код которого определяется состоянием ключей S1.... S4. Токи ключей суммируются в точке А, причём токи различных ключей различны (имеют разный вес: 2³, 2², 2¹, 2⁰,).