Цифровой

Вход

Анапоговый

Цифровой

вход

йеподер

выход

Аналоговый

Bbixod

Рис. 2.22. Эквивалентная схема ЦАП при Рис. 2.23. Структурная схема ЦАП преобразовании слова 010

В общем случае и-разрядный ЦАП с цепной {R - 2/?)-матрицей содержит п параллельных резисторов сопротивлением 2R; выходной ток при этом определяется выражением

R (2-23)

3L 2

1 2

Так как при Ц/А преобразовании цифровой сигнал трансформируется в аналоговый соответствующей величины, то ЦАП как система может быть представлен в виде декодера и устройства выборки и хранения (УВХ) сигнала (рис. 2.23). В декодере цифровое слово преобразуется в число или в амплитудно-модулированный импульс. Квантователь в показанной на рисунке структурной схеме в действительности не нужен. Поскольку УВХ обычно рассматривается как единое целое, то операция квантования присутствует, даже если в ней нет необходимости. Передаточная функция декодера соответствует простому усилительному звену, причем коэффициент усиления в идеальном случае равен единице.

Следует заметить, что на выходе ЦАП из-за работы операционного усилителя могут возникать колебания и пульсации; на практике УВХ может быть использовано для устранения этих пульсаций. Таким образом, использование устройства выборки и хранения в структурной схеме ЦАП имеет реальную предпосылку.

2.6. АНАЛОГО-ЦИФРОВОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

Аналого-цифровое преобразование, или кодирование, заключается в преобразовании информации, содержащейся в аналоговом сигнале, в цифровой код. А/Ц преобразование является более сложным процессом, чем Ц/А преобразование, и требует более сложного схемотехнического решения. АЦП по сравнению с ЦАП, как правило, имеет меньшее быстродействие при той же точности; стоимость АЦП также выше.

Если рассматривать преобразование числа, то АЦП совершает две операции: квантование по уровню и кодирование. Когда в цифровую форму должен быть преобразован изменяющийся во времени сигнал (напряжение или ток), то АЦП совершает следующую последовательность операций; выборку и хранение, квантование по уровню, кодирование.

Квантование по времени необходимо для выборки значений аналогового сигнала в периодически повторяющиеся моменты времени. Теорети-

Рис. 2.24. Структурная схема АЦП Аналоговтй Иифродпй

вход

Выход

Цифровой Выход

Аналоговый

чески операция хранения не явля- вхов\- ется необходимой, однако АЦП

имеет отличное от нуля время пре- квантователе

образования в течение которого

аналоговый сигнал может измениться. Для устранения этого явления квантованный сигнал сохраняется постоянным до завершения преобразования. Структурная схема АЦП представлена на рис. 2.24.

Обычно на вход АЦП подается сигнал в виде тока или напряжения, который в процессе преобразования квантуется по уровню. Идеальная статическая характеристика вход-выход для 3-разрядного двоичного АЦП вдентична характеристике, приведенной на рис. 2.8. Входные сигналы могут принимать любые значения, а выходные соответствуют восьми (2) дискретным уровням. Как видно из рис. 2.8, погрешность преобразования, равная по модулю половине значения младшего разряда, будет всегда добавляться к ошибкам реального АЦП. При необходимости повысить точность преобразования следует увеличить количество разрядов в выходном сигнале. Однако это приведет к возрастанию сложности АЦП и, возможно, к увеличению времени преобразования.

Хотя существуют различные схемы АЦП, только некоторые из них могут быть рекомендованы для практического применения. Наиболее часто используются следующие типы АЦП: с поразрядным уравновешиванием; интегрирующий (однотактный и двухтактный); со ступенчато нарастающим опорным напряжением или следящим алгоритмом; параллельный. Каждый тип АЦП имеет свои преимущества и недостатки. Выбор типа АЦП определяется скоростью и точностью преобразования, стоимостью АЦП, его размерами, спецификой использования. Промышленность выпускает АЦП с колз еством разрядов от 6 до 16; погрешность преобразования обычно составляет 0,01 % МВН ± 1/2 МБ.

Для иллюстращш А/Ц преобразования коротко рассмотрим работу АЦП с поразрядным уравновешиванием, упрощенная структурная схема которого представлена на рис. 2.25. Основными элементами АЦП являются компаратор, ЦАП и логическая схема управления. В начале преобразования все разряды выходного сигнала устанавливаются в О ( очистка ), затем старший бит ЦАП устанавливается в 1. Сигнал старшего бита, соответствующий половине максимального выходного напряжения, преобразуется в ЦАП и сравнивается с аналоговым входным сигналом. Если входной аналоговый сигнал больше сигнала, поступающего от ЦАП, то старший бит (СБ) выходного кода устанавливается в 1; в противном случае СБ = = 0. Затем устанавливается следующий бит ЦАП, и сравнение повторяется. Процесс продолжается до сравнения младшего бита, после чего вырабатывается сигнал об окончании преобразования, и выходной сигнал готов для передачи. Типичные временные диаграммы .для АЦП с поразрядным уравновешиванием показаны на рис. 2.26.

Время преобразования АЦП приводит к появлению запаздьшания, которое, как хорошо известно, ухудшает устойчивость замкнутой системы. Кроме того, конечное время преобразования накладывает ограни-

Выход

таймера 1.ч 1

Пуск

О

\Таамер

Начало пре--.-образования \\

Схема управления и регистры

Опорное нспрямение

Аналоговый вход о-

->

Компаратор

Рис. 2.25. Схема АЦП с поразрядным. Рис. 2.26. Временные диаграммы АЦП с уравновешиванием поразрядным уравновешиванием

Рис. 2.27. Время преобразования и амплитудная неопределенность при А/Ц преобразовании

чения на частоту входного сигнала. В общем время преобразования зависит от метода преобразования и точности АЦП. Для промышленных АЦП время преобразования лежит в пределах от 100 не до 200 мкс. В простейшем случае, когда входной аналоговый сигнал постоянен, время преобразования не имеет значения, так как входной сигнал не меняется в процессе его сравнения с эталонными напряжениями АЦП. Однако на практике входной аналоговый сигнал обычно изменяется во времени и, как было отмечено выше, вначале этот сигнал подвергается преобразо-ванио в устройстве выборки и хранения.

Для иллюстрации влияния времени преобразования рассмотрим аналоговый сигнал (рис. 2.27). Значение сигнала должно быть преобразовано АЦП в цифровой код. Однако, если для этого требуется время Т*, в течение которого сигнал изменяется, то в измерении амплитуды сигнала будет появляться неопределенность. Предположим, что максимальное значение входного сигнала равно Vps и АЦП является и-рязрядным. Это означает, что сигнал должен быть представлен и-разрядным числом с разрешением 1/2 . Изменение амплитуды сигнала в течение времени преобразования приблизительно может быть определено как

deft)

t=t

(2-24)

* Величина Тс складывается из времени преобразования АЦП, времени выборки, апертурного времени, и времени установления УВХ.