Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

При использовании систем управления с цифровым информационным сигналом возникает необходимость преобразования аналоговых сигналов (выходные сигналы большинства датчиков технологических параметров – аналоговые) в цифровые. В свою очередь для работы многих исполнительных устройств также необходимы аналоговые сигналы, а это вызывает необходимость обратного преобразования, т.е. цифровых сигналов в аналоговые.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Существует довольно много способов реализации ЦАП, рассмотрим более подробно работу ЦАП, использующего лестничный делитель типа R-2R. При преобразовании необходимо поставить в соответствие двоичному коду числа аналоговый сигнал. При линейном преобразовании таблица соответствия приведена на рисун-
ке 6.20а. Анализируя таблицу, можно отметить, что каждой единице в более старшем разряде двоичного числа соответствует в два раза большее десятичное число и в два раза больший выходной сигнал. В связи с этим, упрощенную схему ЦАП можно представить в следующем виде (рисунок 6.20б):

Преобразователь состоит из усилителя DA, на вход которого подано опорное напряжение. Коэффициент передачи усилителя изменяется с помощью ключей S₁ ... S₄, которые управляются сигналами разрядов двоичного числа. Величины сопротивлений резисторов R₁ ... R₄ выбраны таким образом, чтобы при последовательном замыкании S₁ или S₂ и т.д. коэффициент передачи увеличивался в два раза. Это реализуется, когда
R₁ = 2R₂ = 4R₃ = 8R₄. Например, при замкнутом S₁ (двоичное число 0001) коэффициент передачи равен: R_ос/R₁, при замкнутом S₂ (двоичное число 0010) – R_ос/R₂ = 2R_ос/R₁ и т.д.

Одновременное замыкание ключей (числа не кратные 2ⁿ) дает промежуточное значение коэффициента передачи, например, число 3 (0011) замкнуты S₁ и S₂. Коэффициент передачи равен:

.

Кво импульсов	Состояние счетчика	Аналоговый сигнал
Q4	Q3	Q2	Q1
					Uon х 0
					Uon х 0,1
					Uon х 0,2
					Uon х 0,3
					Uon х 0,4
					Uon х 0,5
					Uon х 0,6
					Uon х 0,7
					Uon х 0,8
					Uon х 0,9

а б

в

а – таблица состояния цифрового и аналогового сигналов; б – упрощенная схема; в – схема с матрицей сопротивлений типа R-2R и ключами на МОП-транзисторах

Рисунок 6.20 – Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП)

В реальных схемах ЦАП, построенных по данному принципу, рассмотренные коэффициенты передачи создаются так называемой матрицей сопротивления типа 2-2R. На рисунке 6.20в приведена схема ЦАП с использованием такой матрицы и ключей, на МОП-транзисторах. Управление транзисторами осуществляется разрядами двоичного числа. Например, для первого разряда: при наличии "1" на входе Q₁ транзистор VT1 открыт и резистор в цепи стока подключен по входу ОУ, при этом VT1 закрыт, так как на него подан "0". Если Q₁ логический ноль, то VT1 закрыт, а VT1 открыт и резистор подключен к общей шине. Аналогично работают ключи по остальным разрядам. Промышленностью выпускаются ЦАП в интегральном исполнении (МС К572ПА1, К594ПА1, К1108ПА, К1118ПА и т.д.).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) выполняет функцию преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Существует довольно много принципов построения АЦП, рассмотрим два из них. АЦП интегрирующего типа (рисунок 6.21а) состоит из генератора пилообразного напряжения (D1), компаратора (D2), схемы "И" (D3), двоично-десятичного счетчика (D4) и схемы управления.

Диаграммы работы преобразователя приведены на рисунке 6.21б. В исходном состоянии счетчик очищен и на вход генератора подается запускающий импульс. До момента времени, когда выходное напряжение генератора меньше входного аналогового сигнала, на выходе компаратора логическая "1", которая разрешает прохождение тактовых импульсов на вход счетчика.

Выход счетчика

Q4	Q3	Q2	Q1

а б

а – схема; б – диаграммы работы

Рисунок 6.21 – Функциональная схема аналого-цифрового преобразователя (АЦП) интегрирующего типа

В момент времени, когда входной сигнал сравняется с напряжением генератора, компаратор переходит в нулевое состояние и прохождение тактовых импульсов на вход счетчика прекращается. Очевидно, что количество импульсов, прошедших на вход счетчика, пропорционально входному напряжению. На выходе счетчика это число будет представлено в двоичном коде. Период колебаний генератора определяется соотношением

Т₂ = К_сч ^. Т_т,

где К_сч – коэффициент пересчета счетчика;

Т_т – период следования тактовых импульсов.

Функциональная схема АЦП с динамической компенсацией приведена на рисунке 6.22 и состоит из компаратора (D1), схемы "И" (D2), счетчика (D3) и ЦАП (D4).

Работа схемы. В исходном состоянии счетчик очищен, на выходе ЦАП напряжение равно нулю, на выходе компаратора логическая единица и тактовые импульсы через схему "И" подаются на счетчик. С приходом каждого тактового импульса напряжение на выходе ЦАП будет возрастать. Прохождение импульсов на вход счетчика будет продолжаться до тех пор, пока входной аналоговый сигнал будет больше выходного напряжения ЦАП. Как только эти напряжения сравняются, компаратор переходит в нулевое состояние и прохождение тактовых импульсов прекращается. Число импульсов, прошедших на вход счетчика, будет пропорционально выходному напряжению ЦАП (т.е. величине входного сигнала). Выходными сигналами являются выходы счетчика. Промышленностью выпускаются АЦП в интегральном исполнении (МС К572ПВ1, К1108ПВ1, К5113ПВ1 и т.д.).

Рисунок 6.22 – АЦП с динамической компенсацией