Преобразование сигналов. Цифро-аналоговые преобразователи.

Черноморское Высшее Военно-Морское училище имени П.С. Нахимова ДИСЦИПЛИНА «ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ» ЛЕКЦИЯ № 19 ТЕМА : ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. 1 ТЕМА : ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛОВ. ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ. Цель: ознакомится с устройством и принципами работы цифро-аналоговых преобразователей. Вопросы: 1.Общие сведение, классификация и характеристики преобразователей сигнала. 2.Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), принцип действия, характеристики и функционирование ЦАП. Литература: 1. Курс лекций по дисциплине «Информационноуправляющие технологии», Севастополь, ЧВВМУ, 2015г, лекция № 19. 2 1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СИГНАЛА. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые и цифровых в аналоговые широко применяется в системах автоматики специализированными схемами или модулями, входящими в состав более сложных схем. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) (ADC— AnalogDigitalConverter) осуществляют преобразование напряжения в цифровой сигнал, выполняя необходимые в таком случае операции дискретизации, квантования и кодирования. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) DigitalAnalogConverter) осуществляют преобразование. (DAC— обратное 3 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (АНАЛОГИЧНЫ В АЦП И ЦАП ). Статические характеристики преобразователей определяются видом характеристик преобразования, которая устанавливает соответствие между значениями аналоговой величины и цифрового кода. К ним относятся: Число разрядов (b) — число разрядов кода, отображающего исходную аналоговую величину, которое может формироваться на выходе АЦП или подаваться на вход ЦАП. При использовании двоичного кода под b понимают двоичный логарифм от максимального числа кодовых комбинаций (уровней квантования) на выходе АЦП или входе ЦАП. Абсолютная разрешающая способность — средние значения минимального изменения сигнала на выходе ЦАП (α), или минимального изменения входного сигнала АЦП (m), обусловленные увеличением или уменьшением его кода на единицу. Значение абсолютной разрешающей способности является мерой измерения всех основных статических характеристик данного класса устройств и часто обозначается как ЕМР (единица младшего разряда), или просто МР (младший разряд). Абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы (δFs) — отклонение реальных максимальных значений входного для АЦП (U1RN) и выходного для ЦАП (UORN) аналоговых сигналов от значений, соответствующих конечной точке идеальной характеристики преобразования (U1RNmax и UORNmax). 4 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (АНАЛОГИЧНЫ В АЦП И ЦАП ). Статическая характеристика преобразования АЦП Идеальная (1) и вариант реальной (2) характеристики преобразования АЦП Применительно к АЦП наличие δFs означает, что максимальный выходной код будет сформирован на выходе устройства при входном сигнале Uвх = U1RN — δFs. По аналогии для ЦАП можно сказать, что при подаче на вход максимального кода его выходное напряжение будет отличаться от UORNmax на величину δFs. Обычно δFs измеряется в единицах младшего разряда (ЕМР). В технической литературе δFs иногда называют мультипликативной погрешностью. 5 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (АНАЛОГИЧНЫ В АЦП И ЦАП ). Статическая характеристика преобразования АЦП Идеальная (1) и вариант реальной (2) характеристики преобразования АЦП Напряжение смещения нуля U0 — для АЦП это напряжение (Uвхо), которое необходимо приложить к его входу для получения нулевого выходного кода. Для ЦАП — это напряжение, присутствующее на его выходе (Uвых0) при подаче на вход нулевого кода. Величина U0 обычно выражается в ЕМР. Нелинейность (δL) — отклонение действительной характеристики преобразования от оговоренной линейной, т.е. это разность реального напряжения, соответствующего выбранному значению кода и напряжения, которое должно соответствовать этому коду в случае идеальной характеристики преобразования устройства (см.рис. выше). Для ЦАП это напряжение измеряется относительно центров ступеней указанных характеристик. 6 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (АНАЛОГИЧНЫ В АЦП И ЦАП ). Статическая характеристика преобразования ЦАП Идеальная (1) и вариант реальной (2) характеристики преобразования ЦАП В качестве оговоренной линейной характеристики используют либо прямую, проведенную через точки 0…Umax, либо прямую, обеспечивающую минимизацию δL, например, среднеквадратическое отклонение всех точек которой от реальной характеристики минимально. Величину δL измеряют в ЕМР (δL = δ'L/ h) или процентах (δL = 100δ'L / Umax), где δ'L — абсолютное значение нелинейности. В справочной литературе обычно задается максимально возможная величина δL. 7 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (АНАЛОГИЧНЫ В АЦП И ЦАП ). Статическая характеристика преобразования ЦАП Идеальная (1) и вариант реальной (2) характеристики преобразования ЦАП Дифференциальная нелинейность (δLд). Это отклонение действительного шага квантования δ'Lд от его среднего значения (h) (см.рис. выше). Величина δLд измеряется либо в ЕМР [δLд = (δ'Lд - h) / h], либо в процентах δLд = ( δ'Lд — h) • 100 / Umах. Величина дифференциальной нелинейности однозначно связана с понятием монотонности характеристик АЦП и ЦАП. Если |δLд| > 1ЕМР, то приращение выходного сигнала в данной точке характеристики может быть как положительным, так и отрицательным (см. рис. выше «Идеальная (1) и вариант реальной (2) характеристики передачи ЦАП»). В последнем случае характеристика преобразования перестает быть 8 монотонной. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ (АНАЛОГИЧНЫ В АЦП И ЦАП ). Динамические характеристики преобразования Определение времени преобразования ЦАП Динамические свойства ЦАП и АЦП обычно характеризуют следующими параметрами: максимальная частота преобразования (fcmax) — наибольшая частота дискретизации, при которой заданные параметры соответствуют установленным нормам; время установления выходного сигнала (ts) — интервал от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходной аналоговый сигнал окончательно войдет в зону заданной ширины, симметрично расположенную относительно установившегося значения. Обычно ширина этой зоны задается равной 1ЕМР. 9 КЛАССИФИКАЦИЯ ЦАП 10 ПРОСТЕЙШАЯ СХЕМА ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Простейшая схема преобразования двоичного кода в токовый сигнал состоит из источника опорного напряжения, набора резисторов и электронных ключей, коммутируемых в соответствии с состоянием отдельных разрядов двоичного числа Х[0...п-1] 11 ПРОСТЕЙШАЯ СХЕМА ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Сопротивления резисторов преобразователя выбираются обратно пропорциональными весу разрядов двоичного числа. Ключи Х[0...п- 1] считаются замкнутыми при единичном значении соответствующего разряда nразрядного числа. Если считать, что точка суммирования токов имеет нулевой потенциал, то выходной ток преобразователя где Uref— опорное напряжение. Большой разброс сопротивлений резисторов и высокие требования к их точности очень усложняют использование такой схемы. 12 CХЕМА ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ РЕЗИСТИВНОЙ МАТРИЦЫ ТИПА R-2R Преобразователь цифрового сигнала в ток на основе резистивной матрицы R-2R использует только два номинала резисторов. Ключи в схеме выполняются трехпозиционным; они подключают резисторы либо к узлу суммирования токов, либо к общей точке схемы. Поэтому нагрузка источника опорного напряжения в такой схеме постоянна, и в схеме при переходе к каждому следующему разряду происходит последовательное деление опорного напряжения на 2. В результате выходной ток, как и в предыдущей схеме, пропорционален входному цифровому сигналу: 13 CХЕМА ЦИФРОАНАЛОГОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ РЕЗИСТИВНОЙ МАТРИЦЫ ТИПА R-2R Недостатком такой схемы считается появление импульсных помех при переключении ключей в процессе изменения кода. Избавиться от таких помех можно, используя преобразователь строкового типа (stringDAC). 14 ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СТРОКОВОГО ТИПА В общем случае n-разрядный цифроаналоговый преобразователь строкового типа состоит из 2n резисторов и такого же числа ключей . Для управления ключами в схеме предусматривается дешифратор, причем логика дешифратора в схеме несколько отлична от стандартной. Как только какой-либо резистор подключается к цепи, любые дальнейшие увеличения кода уже не могут его отключить. Токи на выходе преобразователя суммируются, в результате чего выходной ток всегда пропорционален коду входного сигнала X. Для изготовления многоразрядного преобразователя строкового типа требуется большое число резисторов и ключей, поэтому применение такой схемы не всегда рационально. 15 ЦИФРОАНАЛОГОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СЕГМЕНТИРОВАННОГО ТИПА Наиболее популярными среди производителей микросхем считаются сегментные схемы, в которых часть входного сигнала обрабатывается строковым DAC, а часть — преобразователем по схеме R-2R. На рисунке представлена схема, в которой старшие пять разрядов 10-разрядного преобразователя декодируются и обрабатываются 31-разрядным строковым цифроаналоговым преобразователем, а младшие пять разрядов преобразуются по схеме R-2R. Выходные токи двух цифроаналоговых преобразователей суммируются. 16 ВАЖНЕЙШИЕ ПАРАМЕТРЫ ЦАП Наиболее важными параметрами преобразователей являются разрядность, тип интерфейса, быстродействие, характеристики питания и тип выходного сигнала: ток или напряжение. Разрядность цифроаналогового преобразователя определяет точность преобразования. Микросхемы выпускаются с разрядностью от 4 до 24 бит. Наиболее часто используются 8— 12-разрядные схемы, обеспечивающие шаг квантования выходной величины от 1/256 (0,39 %) до 1/4096 (0,0244 %). Микросхемы с разрядностью более 12 считаются прецизионными. Быстродействие цифроаналоговых преобразователей принято оценивать по времени установления выходного сигнала, которое у микросхем с параллельным интерфейсом находится в пределах от 0,15 до 35 мкс. Чаще используются преобразователи низкого или среднего быстродействия. 17 ПРИМЕРЫ ЦАП С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ 18 ПРИМЕРЫ ЦАП С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНТЕРФЕЙСОМ 19 ВЫВОДЫ ЦАП представляют собой большой класс электронных устройств обеспечивающих связь цифровых систем с аналоговыми потребителями информации (сигналов). Схемотехника ЦАП, принципы функционирования, характеристики полностью определяются конкретно решаемой задачей, обеспечивая точность преобразования, ширину спектра (быстродействие), диапазон выходного сигнала. 20