Цифровые преобразователи. Схема цифрового преобразователя

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам: По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения; По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1.

Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице.

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах. Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов. В этой схеме емкости конденсаторов С1 и С2 равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С2 разряжается ключом S4. Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда d0. Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С1 заряжается до опорного напряжения Uоп при d0=1 посредством замыкания ключа S1 или разряжается до нуля при d0=0 путем замыкания ключа S2. Во втором полутакте при разомкнутых ключах S1, S2 иS4 замыкается ключ S3, что вызывает деление заряда пополам между С1 и С2. Пока на конденсаторе С2 сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С1 должна быть повторена для следующего разряда d1 входного слова. Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова.

Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для авто­матического преобразования (измерения и кодирования) непрерыв­но изменяющихся во времени (т. е. аналоговых) величин в соответ­ствующие значения числовых кодов. В данном случае под словом «цифра» понимается двоичный код. Когда, например, говорят о цифровой звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре или о цифровой телефонии, то подразумевают, что непрерывно изменя­ющийся звуковой сигнал записывается или передается именно в виде двоичных (бинарных) кодов, т. е. «оцифрованным».

В зависимости от способа преобразования АЦП подразделяют на последовательные, параллельные и последовательно-параллель­ные. На рис. 4 показан АЦП последовательного типа.

По команде «Пуск» цифровой автомат ЦА вырабатывает после­довательность двоичных чисел, которые поступают на вход циф­ро-аналогового преобразователя (ЦАП), вырабатывающего напря­жение 1/иш, соответствующее каждому входному двоичному сигналу. Это напряжение Umn непрерывно растет (пока работает ЦА) и по­ступает на один из входов компаратора К, на другой вход которого поступает входное напряжение 11Ш. Компаратор сравнивает эти два сигнала и выдает сигнал при их равенстве. По этому сигналу оста­навливается ЦА, а на его выходе фиксируется двоичный код, соот­ветствующий Um. Таким образом, преобразование в последователь­ном АЦП происходит в ступенчатом режиме, отдельными шагами (тактами), последовательно приближаясь к измеряемому значению. Поэтому последовательные АЦП на каждое преобразование анало­гового сигнала затрачивают много времени. Для повышения их бы­стродействия используется метод поразрядного уравновешивания. Иллюстрирующая этот метод схема показана на рис. 5.

Роль цифрового автомата выполняет регистр Рг с датчиком так­товых импульсов ДТИ. Считывание выходного кода происходит по сигналу схемы готовности данных СГД, который поступает при по­ступлении сигнала от компаратора К о равенстве входного напряже­ния UBX и напряжения Uum. Работа компаратора синхронизирована

импульсами ДТИ. Эти же им­пульсы последовательно пе­реводят разряды регистра Рг в состояние «1», начиная со старшего, а младшие разряды при этом остаются в состоя­нии «О». При этом ЦАП вы­рабатывает соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе К с входным. Если Uuan больше

Рис.4. Аналого-цифровой преобразователь последовательного типа

UBX, то по команде компаратора старший регистр сбрасывается в со­стояние «О», если Uum меньше UBX, то остается «1» в старшем разря­де. Затем в состояние «1» переводится следующий по старшинству разряд Рг и снова производится сравнение напряжений Uwn и UBX. Цикл повторяется до тех пор, пока не произойдет сравнение в млад­шем разряде. После этого СГД выдает сигнал о выдаче выходного кода. Число циклов сравнения в таком АЦП будет равно числу раз­рядов выходного кода.

Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного типа. Преобразование аналогового сигнала в код в таких АЦП осу­ществляется за один шаг. Но такие АЦП требуют нескольких ком­параторов. Выходное напряжение одновременно сравнивается во всех компараторах с несколькими опорными напряжениями. Парал­лельные АЦП имеют большее число элементов, чем последователь­ные. Рассмотрим работу трехразрядного параллельного АЦП (рис. 6). Тремя двоичными разрядами можно представить восемь чисел: от 0 до 7. Поэтому используется 7 компараторов для сравне­ния входного напряжения с опорными напряжениями, получаемы­ми с помощью схемы резисторного делителя. От каждого компара­тора получается сигнал «О», если входное напряжение меньше опор­ного, и «1» — в противном случае.

Состояние компараторов и соответствующих им двоичных ко­дов показано в табл. 4. Преобразователь, кода выдает двоичное трехразрядное число. Время преобразования параллельных АЦП может составлять несколько десятков наносекунд, что в сотни раз быстрее, чем у последовательных АЦП.