АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

July 28, 2014 by admin Комментировать »

Аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) называют устройства, преобразующие входные аналоговые сигналы в выходные цифровые.

Цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) называют устройства, выполняющие обратную функцию, т. е. преобразующие входные цифровые сигналы в выходные аналоговые.

Эти сигналы пригодны для последующего взаимодействия с элементами цифровой техники, в частности, с микропроцессорами. Таким образом, при использовании АЦП происходит преобразование непрерывной во времени функции, описывающей исходный аналоговый сигнал, в непрерывную последовательность цифровых сигналов, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени.

Основными параметрами АЦП [20.1] являются:

♦  разрешающая способность;

♦  точность;

♦  быстродействие.

По схеме реализации [20.1, 20.2] АЦП подразделяют на четыре

группы.

Группа 1. Параллельные.

Группа 2. Последовательные, в том числе:

♦  последовательные;

♦  последовательного приближения;

♦  последовательного счета, включая следящие;

♦    интегрирующие, включая одноактные и многотактные, преобразователи напряжение-частота, сигма-дельта преобразователи.

Группа 3. Комбинированные или последовательно-параллельные, в

том числе:

♦  многотактные;

♦  многоступенчатые;

♦  конвейерные;

♦  с двойным интегрированием.

Группа 4. Прямого преобразования.

В АЦП параллельного типа обработка входного сигнала производится при помощи линейки компараторов, резистивный делитель которых подключен параллельно источнику опорного (эталонного) сигнала Uon. Количество компараторов и, соответственно, точность преобразования, определяется разрядностью преобразования. Для л-разрядного преобразователя необходимо использовать 2П – 1 компараторов и 2П прецизионных резисторов. Так, например, для трехразрядного преобразователя необходимо 7 компараторов.

Примечание.

Соответственно, чем выше разрядность АЦП, тем прогрессирующе сложнее его схема и выше стоимость и энергопотребление.

Обычно распространены 10/11/12-ти битные АЦП. Это соответствует 1024/2048/4096 ступеням напряжений, из которых формируется выходной сигнал.

Упрощенная схема трехразрядного параллельного АЦП приведена в качестве примера на рис. 20.1 [20.2].

Определение.

Рис. 20.1. Схема трехразрядного параллельного АЦП

Переключение уровня выходного сигнала АЦП с изменением уровня входного происходит ступенчато, с одинаковым шагом, называемым уровнем или шагом квантования п.

Шаг квантования определяется разрядностью АЦП и задается прецизионным резистивным входным делителем. Сигналы с выходов компараторов DA1—DA7 подаются на вход приоритетного шифратора, в состав которого входят также триггеры DD1—DD3 (рис. 20.1).

Соответствие уровня входного аналогового сигнала формируемому выходному цифровому коду проиллюстрировано табл. 20.1 [20.2].

Примечание.

Преобразование уровня входного напряжения в уровни выходных сигналов АЦП  Таблица 20.1

Следует отметить, что столь идеальная картина характерна при относительно медленноменяющихся входных сигналах, а при быстрых перепадах входного напряжения в силу инерционности отдельных узлов АЦП и несовершенства их свойств возможны сбои (ошибки) при преобразовании сигналов.

Для цифро-аналогового преобразования используют, как правило, сигналы, представленные двоичным кодом. В соответствии со своим назначением, ЦАП выполняют функцию, обратную той, что выполняют АЦП.

Если последовательно включить АЦП и ЦАП и подать на вход аналоговый сигнал, в идеале на выходе можно получить сигнал, практически неотличимый от входного. На самом деле это не так: выходной сигнал заметно отстает во времени и состоит из микроступенек, в зависимости от качества (разрядности) преобразования, более или менее выраженных.

Вывод.

При последовательном включении ЦАП и АЦП и подаче на вход цифрового сигнала, на выходе будет получен также цифровой сигнал, несколько смещенный по времени относительно входного.

По схеме реализации ЦАП [20.2] подразделяют на три группы.

Группа 1. Параллельные с суммированием:

♦  напряжений;

♦  зарядов;

♦  токов.

Группа 2. Последовательные с:

♦  широтно-импульсной модуляцией;

♦  на переключаемых конденсаторах.

Группа 3. Прямого преобразования.

Рассмотрим параллельные ЦАП. Работа ЦАП параллельного типа основана на дозированном (квантованном) суммировании токов, величины которых отличаются в соответствии с геометрической прогрессией: I = 1о, где п — количество разрядов, 10 — минимальный суммируемый ток. Так, для трехразрядного ЦАП (рис. 20.2) соотношение резисторов сумматора должно быть 1:2:4, а для ,… ,2 , 2 .

Рис. 20.2. Схема трехразрядного ЦАП параллельного типа с суммированием весовых токов

Предполагается, что сопротивление нагрузки RH много меньше сопротивления всех параллельно включенных резисторов сумматора, эти резисторы не должны влиять на величину опорного напряжения Uon.

Сопротивление замкнутого/разомкнутого ключа не должно влиять на величину выходного сигнала. Сопротивления резисторов сумматора должны быть подобраны с высокой точностью [20.1, 20.2]. На практике эти требования выполняются с определенной степенью приближения. Кроме того, в рассматриваемой эквивалентной схеме ЦАП не учитываются емкостные свойства элементов, наличие которых особенно сказывается при работе преобразователя на повышенных частотах.

Для управления ключами ЦАП используют управляющие сигналы логического уровня 1/0, табл. 20.2.

Зависимость уровня выходного сигнала от состояния

управляющих ключей трехразрядного ЦАП параллельного типа                            Таблица 20.2

Ключ (вес ключа)

Выходной сигнал

S3 (0,25)

S2 (0,50)

S1 (1,00)

0

0

0

0

1 ‘

0

0

0,25

0

1

0

0,50

1

1

0

0,75

0

0

1

1,00

1

0

1

1,25

0

1

1

1,50

1

1

1

1,75

Схема «-разрядного ЦАП параллельного типа с суммированием весовых токов показана на рис. 20.3. Очевидными недостатками такого ЦАП являются:

♦    исключительная сложность обеспечения приемлемой точности номиналов резистивных элементов;

♦    тот факт, что в состав этих элементов входит электрическое сопротивление ключей — величина нестабильная и порой ограничивающая разрядность преобразователя.

Более совершенными и простыми являются ЦАП с матрицей R-2R постоянного импеданса, рис. 20.4 [20.2], ставшие промышленным стандартом. Эти ЦАП выполнены на прецизионных резисторах лишь двух стандартных номиналов R и 2R (либо одного номинала, часть которых соединена последовательно или параллельно).

Рис. 203. Схема п-разрядного ЦАП параллельного типа с суммированием весовых токов

Рис. 20.4. Схема п-разрядного ЦАП с матрицей постоянного импеданса

Особенностью ЦАП является то, что при любом положении управляющих ключей источник опорного напряжения нагружен на постоянное выходное сопротивление. Быстродействие ЦАП определяется частотными свойствами управляющих ключей. Так, время установления выходного напряжения для общедоступных преобразователей массовых серий с ключами на МОЯ-транзисторах обычно не лучше 10 мкс.

При работе быстродействующих ЦАП в силу их несовершенства зачастую наблюдаются импульсные помехи — иглообразные выбросы или провалы в выходном напряжении, возникающие во время переключения управ/ипощих ключей в разных разрядах ЦАП.

Примечание.

Эти выбросы могут привести к искажению информации, сбоям работы радиоэлектронной аппаратуры. Зачастую иглообразные выбросы визуально на экране осциллографа малозаметны, поэтому и сбои работы узлов аппаратуры трудно диагностируемы.

Выбросы характеризуют по их пиковольтсекундной площади, пВ-с. Для подавления выбросов обычно применяют устройства выборки- хранения информации.

Минимизировать влияние сопротивлений замкнутых ключей на точность преобразования и одновременно повысить быстродействие преобразователя удается при использовании ЦАП на транзисторных источниках тока, выполненных по схеме, рис. 20.5 [20.2]. Быстродействие ЦАП повышается при этом на два порядка.

Помимо резистивных ЦАП известны также и ЦАП на коммутируемых конденсаторах, рис. 20.6 [20.2]. В основе преобразователя стоит

Рис. 20.6. Схема ЦАП на коммутируемых конденсаторах

конденсаторная матрица с соотношением номиналов, выраженных в геометрической прогрессии: СИ=2"С0.

Недостатки такого ЦАП очевидны:

♦  трудность организации ряда прецизионных конденсаторов;

♦  большие габариты;

♦  наличие токов утечки.

Характеристики основных видов микросхем АЦП и ЦАП приведены в табл. 20.3 и табл. 20.4 [20.2]. Использованы аббревиатуры: ЕМР — единица младшего разряда; УВХ — устройство выборки-хранения.

Характеристики АЦП                                                                                                     Таблица 20.3

АЦП

Разрядность,

бит

Число каналов

Внутреннее УВХ

Время преобр., мкс (част, пребр., МГц)

U

>s

ф

α

2

X

Внутренний ист. опорного напряжения

Напряж. питания, В

Мощность потр., мВт

Примечание

АЦП широкого применения

572ПВ1

12

1

Нет

110

Парал.

Нет

±5:15

120

Требуются внешние ОУ

1108ПВ2

12

1

Нет

2

Парал.

Есть

5,-6

1300

Последовательного приближения (ПП)

ΜΑΧ114

8

4

Есть

0,66

Парал.

Нет

±5

40

Двухступенчатый. Дежурн. режим 5 мкВт

AD7893

12

1

Есть

б

Поел.

Нет

±5

30

ПП

Таблица 20.3 (продолжение)

Таблица 20.3 (продолжение)

Характеристики ЦАП                                                                                                     Таблица 20.4

Таблица 20.4 (продолжение)

Шустов М. А., Схемотехника. 500 устройств на аналоговых микросхемах. — СПб.: Наука и Техника, 2013. —352 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты