Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи Микропроцессорная автоматическая система должна работать не только с дискретными (цифровыми) сигналами, но и с непрерывными, физическими параметрами, которые представляются значениями электрических величин, формируемых соответствующими датчиками. Микропроцессор – это цифровое устройство, поэтому необходимы средства преобразования цифровых величин в аналоговые и обратно. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) преобразуют входные данные в виде значений тока или напряжения в цифровую форму. Процесс преобразования включает дискретизацию по времени, квантование по уровню и кодирование непрерывной входной величины. Необходимое быстродействие АЦП определяется скоростью изменения входной величины. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) реализуют обратный процесс преобразования цифровых данных в аналоговые сигналы; принцип их построения основан на генерации в соответствующих цепях напряжений или токов, пропорциональных весам зарядов. Эти устройства обычно состоят из схемы со взвешенными величинами сопротивлений резисторов или резисторно-цепной (лестничной) схемы. АЦП и ЦАП изготавливают в различных модификациях. В одних входные сигналы могут быть только положительными, в других – как положительные, так и отрицательные, могут быть использованы обычный двоичный, дополнительный двоичный и двоично-десятичный коды, а также обратный код, рефлексные коды и коды с обнаружением ошибок (коды Грея и Хемминга). ЦАП является одним из элементов АЦП, поэтому целесообразно сначала рассмотреть устройство ЦАП. Рис.18.8. Схема построения ЦАП на резисторах Рис.18.9. Схема построения ЦАП на базе операционного усилителя На рисунке 18.8 иллюстрируется способ построения ЦАП на резисторах. К схеме подключаются источники тока I, управляемые разрядами входного кода. Число источников определяет разрядность входного двоичного кода. Каждый источник формирует напряжения, численно равное значению соответствующего разряда, т.е. либо 1, либо 0. Выходное напряжение (аналоговое) пропорционально сумме значений напряжений на источниках, взвешенных по степеням числа 2. Схема проста и может обеспечить хорошую точность преобразования, т. к. используются два номинала сопротивлений резисторов. На рисунке 18.9 приведена схема построения ЦАП на базе операционного усилителя. На входы схемы подаются напряжения, соответствующие разрядам кода. На выходе операционного усилителя аналоговое напряжение пропорционально значению цифрового двоичного представления входной величины. Если все переключатели замкнуты на общий провод (ОВ), как показано на рис.18.9,то входное напряжение в т.А равно нулю и выходное напряжение также равно нулю. Предположим, что мы установили переключатель А в положение, соответствующее логической 1. Тогда к операционному усилителю (ОУ) будет приложено входное напряжение, равное ЗВ. Рассчитаем коэффициент усиления по напряжению усилителя. Кu=Rос/Rвх=10000/150000=0,066. Чтобы получить выходное напряжение, умножаем этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, т.е. Uвых.=Ku Uвх=0,066 3=0,2В. Выходное напряжение равно 0,2В, когда на входы ЦАП подана двоичная комбинация 0001. Аналогично, если подать на входы ЦАП двоичную комбинацию 0010, то для коэффициента усиления в этом случае получаем Ku=Roc/Rвх=10000/75000=0,133, умножив этот коэффициент усиления на величину входного напряжения, найдем, что выходное напряжение равно 0,4В. При переходе к каждому следующему двоичному числу выходное напряжение ЦАП должно увеличиваться на 0,2В. Такое возрастание выходного напряжения обеспечивается за счет увеличения коэффициента усиления по напряжению ОУ при подключении различных резисторов (R1, R2, R3, R4). Если все переключатели в схеме на рис.18.9 установлены в положения, соответствующие логическим "единицам", ОУ вырабатывает на своем выходе полные ЗВ, поскольку коэффициент усиления в этом случае становится равным 1. В качестве выходного можно использовать любое напряжение, не превышающее напряжение питания ОУ (в нашем случае 10В). Можно увеличить число двоичных разрядов, добавляя переключатели. При добавлении разрядного переключателя веса 16 в схему рис.18.9 потребуется резисторR5 с сопротивлением, равным половине сопротивления резистора R4. В нашем случае R5 должно быть равно 9350Ом. При этом нужно будет также изменить сопротивление резистора обратной связи Rос приблизительно до 5кОм. На выходе ЦАП можно тогда подавать 5-разрядные двоичные числа и по-прежнему получать на выходе аналоговый сигнал, изменяющийся от 0 до 3В. Схема ЦАП, показанная на рис.18.9 имеет два недостатка: во-первых, в ней приходится использовать резисторы с широким диапазоном номиналов и, во-вторых, обеспечиваемая точность преобразования невысока. Имеется ряд других более сложных схем ЦАП, например, лестничного типа [3-11], которые обеспечивают большую точность преобразования. Аналого-цифровой преобразователь Рис.18.10. Базовая структурная схема АЦП Процесс аналого-цифрово-го преобразования заключается в следующем. Для АЦП сnразрядным двоичным выходом входной сигнал квантуется на 2n уровней так, что действи-тельное значение аналогового сигнала, соответствующее некоторой входной кодовой комбинации, находится между двумя логическими уровнями. Всего имеется 2n1 нулевых логических уровней аналогового сигнала, а шаг квантования  определяется путем деления значения диапазона изменений аналоговой переменной на 2 n.  равен величине наименьшего значащего разряда АЦП, а максимальная погрешность преобразования равна /2. Базовая структурная схема АЦП приведена на рис.18.10. На входе АЦП действует изменяющееся напряжение (в нашем случае от 0 до 3В). С выхода АЦП снимаются двоичные сигналы. АЦП преобразует аналоговый сигнал напряжения на входе в 4-х разрядное двоичное слово. Таблица 18.1 истинности показывает, как работает АЦП. Таблица 18.1 Таблица истинности для АЦП Аналоговый вход Вольты Двоичный выход 8 4 2 1 Д С В А строка 1 строка 2 0,2 1 строка 3 0,4 1 строка 4 0,6 1 1 … … … … … … строка 15 2,8 1 1 1 строка 16 3,0 1 1 1 1 По способам реализации и принципам построения можно выделить несколько типов АЦП [3-10, 3-11]. АЦП с поразрядным уравновешиванием (использует ЦАП) – наиболее распространен, так как обеспечивает высокое разрешение при большой скорости преобразования. В его основе лежит сравнение выходного сигнала внутреннего ЦАП с аналоговым входным сигналом; результатом каждого сравнения является установление очередного разряда на выходе ЦАП. Таким образом, выдача n-разрядных двоичного слова занимает n фиксированных тактов, т.е. АЦП такого типа имеет постоянное время преобразования. Точность преобразования зависит от стабильности опорного напряжения ЦАП, резисторной схемы и компаратора. Такие АЦП применяют обычно в системах обработки данных, мультиплексно сопряженных с МПС, т.е. когда особо важны скорость преобразования и высокое быстродействие. Рис.18.11. Структурная схема АЦП с поразрядным уравновешиванием Этот АЦП со-держит компаратор напряжений, логический элемент И, двоичнодесятичный счет-чик и ЦАП. Ко входу АЦП (слева на рис. 18.12) приложено аналоговое напряжение. Компаратор "проверяет" величину напряжения, поступающего от ЦАП. Если аналоговое входное напряжение на входе В меньше напряжения ЦАП, разрешается прохождение тактовых (счетных) импульсов на вход двоично-десятичного счетчика. Счетчик подсчитывает эти импульсы, в результате постепенно увеличивается цифровой сигнал (двоичное число) на его выходе. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи с выхода ЦАП не превысит аналоговое входное напряжение. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Предположим, что аналоговое входное напряжение равно 2В. В соответствии с таблицей 18.1 счетчик сосчитает до 1010, а затем остановится, сбросится в нулевое состояние (0000), и счет начнется снова. Следует обратить внимание на то, что для преобразования аналогового сигнала напряжения в двоичный цифровой сигнал требуется некоторое время. Однако в большинстве случаев частота следования тактовых импульсов достаточно высока, так что эта временная задержка не имеет существенного значения. Интегрирующий АЦП В работе интегрирующего АЦП используются косвенный метод преобразования, при котором напряжение сначала преобразуется в длительность импульса при помощи счетчика. Одно-, двух- и трехступенчатые интегрирующие преобразователи – все это варианты АЦП, в основе работы которых лежит указанный принцип. Рис.18.12. Структурная схема интегрирующего АЦП Рис.18.13. Форма сигнала в интегрирующем АЦП (а – при Uвх.=3В, б – при Uвх.=6В) Структурная схема интегрирующего АЦП показана на рис.18.12. Работа этого АЦП напоминает работу АЦП с динамической компенсацией. Новым узлом в интегрирующем АЦП является генератор линейно изменяющегося напряжения. Этот генератор вырабатывает пилообразное напряжение, как показано на рис.18.13. (Предположим, что к аналоговому входу АЦП на рис.18.12 приложено напряжение, равное 3В. Эта ситуация иллюстрируется на рис.18.13. Линейно изменяющееся напряжение начинает возрастать, но в течение некоторого промежутка времени остается меньше, чем напряжение на входе А компаратора. В этот промежуток времени на выходе компаратора действует уровень логической 1, благодаря чему логический элемент И удерживается в "открытом" состоянии, и через него могут свободно проходить тактовые импульсы. На рис.18.13 показаны три тактовых импульса, которые прошли через элемент И, прежде чем линейно изменяющееся напряжение превысило напряжение на аналоговом входе. В точке, когда аналоговый сигнал на входе станет равен 3В на выходе компаратора (рис.18.13а) устанавливается логический 0. Логический элемент И "запирается". Счет останавливается на двоичном числе 0011. Это двоичное число означает, что напряжение на входе равно 3В. На рис.18.13б к аналоговому входу интегрирующего АЦП приложено напряжение 6В. Счет прекращается на двоичном числе 0110 – цифровом эквиваленте аналогового входного сигнала 6В. Недостаток интегрирующего АЦП – слишком большое время, затрачиваемое на счет при преобразовании больших напряжений. Чтобы ускорить процесс преобразования, используются АЦП других типов, например, АЦП последовательного приближения Аналого-цифровое преобразование с помощью МП Е Рис.18.14. Структурная схема цифро-аналогового преобразования с помощью МП Если аналоговая величина преобразуется в цифровую форму для использования в МПАС, то логично и выгодно, чтобы один из МП, входящих в ее состав, взял на себя эти функции по преобразованию. За счет этого упрощаются внешние схемы и связи. Особенно это эффективно, если преобразуются много сигналов. Схема такого преобразования представлена на рис.18.14 [3-10]. В этом случае испытуемые числа для всех сигналов можно преобразовывать с помощью одного ЦАП, подключенного к порту вывода Пвыв.. Сравнение на выходе ЦАП с каждым из n входных аналоговых сигналов выполняет определенный компаратор. Результат каждого сравнения поступает в МП по отдельной линии в порт ввода Пвв.. Номер портов ввода и вывода один и тот же, отличаются они друг от друга управляющими сигналами "ввод" и "вывод". Порт вывода принимает с шины данных (ШД) используемое число и подает его на вход ЦАП. Выходы компараторов подаются на тристабильные формирователи (шинные буферы), образующие порт ввода. Программа начинает преобразование для некоторого канала, выводя соответствующее испытуемое число. Это число преобразуется в аналоговое напряжение и сравнивается с входным напряжением во всех каналах. Результаты всех сравнений программа получает через порт ввода. Далее выделяется и тестируется бит, который соответствует конкретному каналу и определяется новое пробное значение числа. Подобрав число для одного канала, МП переходит к другому каналу и т.д. Таким образом, преобразование ведется в режиме временного мультиплексирования. Метод преобразования, используемый в программе, может быть любым, включая метод последовательных приближений, методы со счетчиками и др.