Цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи – Радиолюбительская азбука

May 6, 2015 by admin Комментировать »

Существуют устройства, в которых обработать аналоговый сигнал обычными — аналоговыми — методами невозможно, поэтому приходится преобразовывать его в цифровую форму. Простейший пример такого устройства — синтезатор напряжения для управления варикапами настройки радиоприемника. Как известно, варикапдиод, емкость р-п-перехода которого зависит от приложенного на него напряжения, поэтому каждой радиостанции соответствует «своя» величина управляющего напряжения, которое и нужно подать на варикап, чтобы «словить» нужную вам радиостанцию, а не «шумы эфира». Если приемник должен иметь несколько фиксированных настроек, которые можно «перебирать» простым нажатием на кнопки, то можно, конечно, собрать несколько регу лируемых делителей напряжения и по очереди переключать их выходы на варикапы настройки. Но это не очень удобно и довольно дорого, особенно если фиксированных настроек должно быть много. Гораздо проще попросту записать значение управляющего напряжения в микросхему памяти и, «перебирая» адреса памяти, «перебирать» настройки.

Но, так как аналоговых микросхем памяти, способных запоминать величину аналогового напряжения, до сих пор не существует, приходится преобразовывать аналоговый сигнал в цифровой, запоминать последний в микросхеме памяти, а в режиме чтения — преобразовывать цифровой сигнал в аналоговый и подавать последний на варикапы настройки. Первую функцию выполняют аналого-цифровые преобразователи (АЦП, или ADC), а вторую — цифроаналого

Рис. 2.15. Графики работы АЦП (а) и ЦАП (б). Реальный звуковой сигнал (в): НЧ-составляющая показана условно вые (ЦАП, или DAC). Преобразователи эти служат исключительно для согласования цифровых и аналоговых частей схемы и каких-либо «альтернативных» (нестандартные схемы включения) функций не выполняют. Цифровой памяти внутри ЦАП и АЦП нет, и только в некоторых ЦАПах на цифровых входах стоят регистры — «защелки».

Основа любого преобразователя — как ЦАП, так и АЦП — источник образцового напряжения, причем стабильность (неизменность амплитуды) этого источника должна быть очень большой: величина его напряжения не должна изменяться более чем на 0,1…1,0%. Поэтому в большинстве «серьезных» конструкций используются специальные, довольно дорогие, источники опорного напряжения. Но для большинства радиолюбительских конструкций вполне достаточно и обычных стабилизаторов на основе генератора тока и стабилитрона.

Преобразователи работают по следующему принципу (рис. 2.15): делят опорное напряжение на множество «диапазонов» (на рис. 2.15 для большей простоты показана работа 3-разрядного преобразователя, у которого количество «диапазонов» равно 23 = 8; в современной hi-end-цифровой технике используются преобразователи до 24-разрядных включительно, и у них количество «диапазонов» равняется 16,8 миллионов) и сравнивают входное напряжение с напряжением каждого «диапазона» (АЦП) или выдают на выход напряжение того «диапазона», код (адрес) которого подан на цифровые входы (ЦАП). Очевидно, что чем больше разрядность преобразователя, тем с большей точностью он преобразовывает информацию; поэтому самые примитивные современные преобразователи имеют 8 разрядов (28 = 256 «диапазонов»), а в несложных радиолюбительских конструкциях используются 8…12-разрядные преобразователи. Кстати, количество разрядов у микросхем-преобразователей практически всегда только четное.

Рассмотрим функционирование микросхемы АЦП. На сигнальный вход микросхемы (IN) подадим аналоговый сигнал, например, синусоиду, причем минимальное значение входного сигнала не должно быть меньше напряженияна общем проводе (хотя есть и двухполярные микросхемы — АЦП), но и не должно быть гораздо больше его. Ко входу образцового напряжения (REF) подключим внешний стабилизатор напряжения — в состав ЦАП и АЦП источники опорного напряжения встраивают очень редко.

Теперь, для того чтобы АЦП заработал, на его специальный вход нужно подать сигнал синхронизации — обычно для этого к АЦП подключают высокостабильный (кварцевый, частота которого практически неизменна) генератор. Импульс с выхода генератора запускает АЦП, он «выясняет», к какому «диапазону» ближе величина напряжения на входе IN в данный момент времени, и через некоторое время (время преобразования) выдает на цифровые выходы номер этого «диапазона» — в двоичном коде. По приходу следующего запускающего импульса все процессы повторяются, и, если к этому времени амплитуда входного сигнала изменилась, изменится и код на выходах микросхемы (параллельный порт: группа выходов, информация на которых изменяется одновременно и которые «принадлежат» к одному и тому же устройству (регистр, счетчик, АЦП) в составе микросхемы, называется «порт»; порты бывают последовательными и параллельными). Если перестать подавать на АЦП запускающие импульсы, то он остановится, и на его выходах останется код, соответствующий амплитуде входного сигнала во время последней выборки (преобразования).

ЦАП гораздо проще АЦП, и для его работы никакие генераторы не нужны. Сигнал с цифровых входов постоянно преобразовывается в аналоговую величину (обычно эту функцию выполняют делители напряжения на резисторах, а быстродействие резисторов, как известно, бесконечно), и при изменении кода на входах напряжение на выходе также изменяется.

Обычно ЦАП строится на основе резистивной матрицы R-2R (рис. 2.16, а), полное название которой звучит как «резистивная матрица постоянного импеданса типа R-2R». На рисунке показаны только 3 разряда матрицы, но их может быть и больше — для этого нужно только поставить больше резисторов. Сопротивление резисторов может быть абсолютно любым, но сопротивление всех резисторов, помеченных одинаково, должно быть абсолютно одинаково (разброс сопротивлений — не более 0,1…1,0%), и сопротивление резисторов «2R» в два раза больше, чем у «R», т. е. если «R» = 10 кОм, то «2R» = 20 кОм. Если вам нужен качественный ЦАП и имеется много резисторов подходящего сопротивле-

Рис. 2.16. Простейший ЦАП на матрице R-2R (а) и генератор нарастающего напряжения (б)

ния, то лучше всего подобрать с помощью цифрового мультиметра или другого точного прибора резисторы, сопротивления которых практически совпадают: ведь двух резисторов с абсолютно одинаковым сопротивлением не существует, поэтому, если, например, на резисторе написано «18 кОм ±5%», его сопротивление находится в пределах 18 ± (18 · 0,05) = 17,1…18,9 кОм. А для ЦАПа такой разброс значителен.

Несмотря на кажущуюся простоту, на самом деле эта матрица устроена очень сложно, поэтому объяснять, как она работает, я здесь не буду. Подробнее ознакомиться с ней можно, собрав простенькую схемку (рис. 2.16, б): если напряжение питания устройства равно 8 В, то при увеличении числа, записанного в счетчик, на 1 единицу напряжение на выходе будет увеличиваться на 8 (В) : 24 = 0,5 В — от нуля до 8 В. Кстати, по такому алгоритму и работают синтезаторы напряжения, о которых говорилось в начале главы, только разрядов у них гораздо больше: интервал ь 0,5 В для синтезатора напряжения многоват.

В отличие от ЦАПа, который можно собрать на основе одних только резисторов, АЦП очень сложен. Это как с переменным током: преобразовать его в постоянный (выпрямить) очень просто — достаточно одного диода и конденсатора, а вот для того чтобы преобразовать постоянный ток в переменный, нужен целый генератор, в котором есть и диоды, и конденсаторы, и множество других деталей. О сложности АЦП говорит тот факт, что «внутри» его практически всегда есть ЦАП, компаратор, регистр и некоторые другие элементы.

Простейший АЦП можно построить по так называемой «следящей» схеме (рис. 2.17, с). Для запуска АЦП нужно кратковременно нажать на кнопку SB (длительность удержания кнопки нажатой должна быть меньше времени преобразования) или подать на вход статического триггера короткий импульс лог. «1». После этого «единица» установится и на выходе статического триггера, диод закроется, и генератор заработает. Код на выходах счетчика начнет увеличиваться, будет увеличиваться напряжение и на выходе ЦАП. Как только оно станет больше напряжения на прямом входе компаратора (входе АЦП), на выходе компаратора появится уровень лог. «0», который через статический триггер остановит генератор. С выходов счетчика можно считывать номер «диапазона» входного напряжения.

Рис. 2.17. а — 4-х разрядный следящий АЦП. Счетчик любой КМОП, напряжение на входе компаратора должно быть больше, чем на общем проводе; образцовое, напряжение (REF) равно «+U» счетчика; б — регистры, последовательных приближений

Для большей точности преобразования «мгновенного» значения входного сигнала (т. е. именно того, который был на входе АЦП во время запускающего импульса, ведь за время преобразования входное напряжение может измениться) на входе АЦП желательно поставить специальное устройство выборки-хранения (УВХ), простейший и наиболее распространенный пример которого изображен на рис. 2.18. По приходу запускающего импульса кратковременно открывается электронный ключ DD1.1, и конденсатор С1 заряжается (или разряжается) до амплитуды входного напряжения. При использовании в качестве DA1 компаратора с биполярными транзисторами на входе, при времени преобразования 1 сек емкость конденсатора С1 должна равняться примерно 1 мкФ; при уменьшении времени преобразования в несколько раз во столько же раз можно уменьшить и емкость конденсатора. У компаратора с полевыми транзи-

Рис. 2.18. Устройство выборки-хранения и источник питания для него стораыи на входе (точнее, ОУ — таких компараторов нет) емкость С1 при тех же условиях может быть от 100 пФ.

Так как не все ОУ способны работать с входным сигналом, напряжение которого близко к напряжению на их отрицательном выводе питания, то в этой схеме ОУ (компаратор) питается небольшим отрицательным напряжением относительного общего провода, с которым соединены выводы питания всех остальных микросхем. Напряжение питания компаратора (ОУ) может быть нестабильным, и стабилитрона для них вполне достаточно. Все остальные микросхемы и, в частности, счетчик-ЦАП питаются от стабилизатора напряжения DA2.

Большое время преобразования — единственный недостаток следящего АЦП. Если АЦП имеет 4 разряда, то для преобразования аналогового сигнала нужно максимум 24 = 16 импульсов с выхода генератора, а если 24 — то нужно 224 и 16,8 миллионов. Учитывая, что современные не очень дорогие микросхемы нормально работают на частотах не более 100 МГц (100 миллионов импульсов в секунду), то 24-разрядный следящий АЦП будет производить не более 10 преобразований в секунду. А современная техника требует, чтобы преобразований было не менее 40…200 тысяч в секунду!

Поэтому наибольшее распространение в технике получил АЦП последовательного приближения, собранный на основе РПП — регистра последовательных приближений (рис. 2.17,6). Подобные регистры (К155ИР17, К564ИР13) довольно редки, у меня их нет, поэтому дать здесь практическую схему такого АЦП я не могу.

Работает АЦП так. Допустим, что наш АЦП — четырехразрядный и напряжение на его аналоговом входе соответствует шестому (ОНО — в двоичном коде) «диапазону». По приходу импульса запуска в старшем разряде РПП записывается «единица», а во всех остальных — «нули», т. е. код на входах ЦАП, подключенного к выходам РПП, равен 1000 (8 — в десятичном счислении). Напряжение на аналоговом входе АЦП меньше (6-й «диапазон»), поэтому на выходе сравнивающего компаратора устанавливается уровень лог. «0», который записывается ь старший (четвертый) разряд РПП.

После этого «единица» появляется на выходе третьего разряда РПП (код на его выходах — 0100, или 4). Напряжение на аналоговом входе АЦП больше, чем на выходе ЦАП, на выходе компаратора — уровень лог. «1», такой же уровень запишется и по третьему выходу РПП.

То же самое произойдет и в следующем такте. Несмотря на то что код на выходе РПП (ОНО) совпадает с номером «диапазона» входного сигнала, компаратор АЦП устроен таким образом, что при этом на его выходе поддерживается уровень лог. «1».

В четвертом такте на выходах РПП установится код «0111»; напряжение на выходе ЦАПа больше, чем на входе АЦП, и на выходе компаратора — уровень лог. «0». Такой же уровень запишется и в младший (первый) разряд РПП.

Все — преобразование окончено и на выходах РПП установлен код (ОНО), соответствующий номеру «диапазона» входного сигнала. Время преобразования АЦП последовательного приближения минимально и примерно равно (в периодах колебаний генератора) разрядности АЦП, т. е. для 4-разрядного АЦП нужно 4 цикла, а для 24-разрядного — 24, и на частоте 100 МГц последним АЦП можно делать 100 : 24 я 4 миллиона преобразований в секунду. Это даже больше, чем надо.

Недостаток АЦП последовательного приближения — его невысокая помехоустойчивость. Допустим, что в описанном выше примере в самом первом цикле компаратор не успел переключиться и в старшем разряде РПП запишется уровень лог. «1». Тогда во всех остальных разрядах будут записаны нули (ведь числа из диапазона 1000…1111 (8…15) больше числа ОНО — 6) и с выхода РПП считается код числа «8», а не «6». Если разрядность АЦП больше, то и ошибка может быть значительней.

У следящего АЦП ошибка не превышает ±1…2 единицы даже при самом неблагоприятном стечении обстоятельств. Поэтому в низкочастотных устройствах, где нужна высокая точность и большая помехоустойчивость, лучше использовать следящий АЦП. Так как все выпускаемые промышленностью микросхемы — АЦП основаны на РПП, то такие АЦП приходится собирать на основе ЦАП, компаратора и счетчика по схеме, аналогичной изображенной на рис. 2.17, а.

Вернемся к графикам на рис. 2.15. В пункте «а» изображено то, что делает АЦП с аналоговым сигналом. Напряжение на вертикальной оси сразу разделено на 8 «диапазонов», метки на горизонтальной оси (ось времени) символизируют моменты времени, когда на АЦП были поданы запускающие импульсы; возле этих меток написано значение напряжения входного сигнала во время соответствующей выборки.

Если мы теперь получившуюся последовательность двоичных чисел подадим на вход ЦАП, то сигнал на его аналоговом выходе будет напоминать то, что изображено тонкой линией на рис. 2.15, б. Сигнал, конечно, получается «страшненьким», но исходную синусоиду в нем все-таки может угадать даже человек, напрочь лишенный воображения. Также из рисунков видно, что в первом полупериоде аналогового сигнала, когда выборок было больше, форма выходного сигнала ЦАПа более «округла».

Но вот с последующим усилением такого сигнала могут возникнуть проблемы. Дело в том, что самый простой сигнал — это синусоида, а все остальные сигналы, по форме отличающиеся от синусоиды, на самом деле состоят из суммы нескольких синусоид, отличающихся друг от друга по частоте, амплитуде или фазе. Объяснить это подробней и понятней очень сложно, поэтому лучше поверьте мне на слово. Самый сложный сигнал — цифровой: он представляет собой сумму гармонических (синусоидальных) сигналов всех частот — от частоты сигнала и до бесконечности.

Убедиться в этом факте очень просто: соберите на цифровых микросхемах генератор частоты 10…100 Гц и подайте его через ФВЧ или полосовой фильтр на вход УМЗЧ, к выходу которого подключены колонки, или, что еще лучше, если усилитель мощный, лампочку накаливания. Изменяя частоту среза фильтра, можно убедиться, что при любой частоте среза полностью «уничтожить» цифровой сигнал невозможно. Что и требовалось доказать. И даже режекторный фильтр, как бы точно вы не настраивали его на частоту генератора, ничего поделать не может. Только ФНЧ, частота среза которого ниже частоты генератора, способен «справиться» с этим «монстром».

Сигнал, изображенный на рис. 2.15, б, — почти цифровой (те же характерные прямоугольные линии), поэтому, если мы подадим его непосредственно на УМЗЧ, усилитель может «забастовать»: он не способен усилить все высокочас^ тотные гармоники (гармонические, или «синусоидальные», составляющие), но хоть как-то реагировать на них обязан, поэтому он будет пытаться усилить их, искажая исходный (входной) сигнал и добавляя в него те гармоники, которых в нем не было или амплитуда которых была гораздо меньше.

Поэтому, для того чтобы усилитель мог нормально работать, нужно удалить (отфильтровать) все высокочастотные гармоники, которые человек все равно не слышит (т. е. все сигналы с частотой более 15…20 кГц). Для этого к выходу ЦАПа нужно подключить ФНЧ, частота среза которого равна 15…20 кГц. ФНЧ желателен «покруче» — его порядок не должен быть младше 2. Хотя, в принципе, в не очень высококачественной аппаратуре можно использовать и простейшие интеграторы на RC-цепочках: как известно, емкостное сопротивление конденсатора при увеличении частоты сигнала уменьшается, поэтому высокочастотные гармоники будут сильнее «замыкаться на землю», чем низкочастотная «линия» полезного сигнала.

Амплитуда сигнала с выхода ЦАПа, прошедшего через ФНЧ, показана на рис. 2.15, б более толстой линией. Нетрудно заметить, что «обработанный» ФНЧ сигнал имеет более округлую форму — этим, кстати, и доказывается, что прямоугольный цифровой сигнал — смесь всех частот; причем чем больше емкость фильтрующего конденсатора (чем ниже частота среза ФНЧ), тем сильнее сигнал на выходе ФНЧ похож на сигнал на входе АЦП. Но при этом уменьшается амплитуда высокочастотной, полезной составляющей сигнала (пришедшего на вход АЦП), поэтому слишком увлекаться емкостями конденсаторов не стоит.

Впрочем, я снова немного отвлекся. Сравнивая графики на рис. 2.15, можно заметить, что чем чаще происходит преобразование аналогового сигнала в цифровой, тем с большей точностью он восстанавливается на выходе ЦАПа, хотя, в принципе, вполне достаточно, чтобы на один период входного аналогового сигнала приходилось всего по 2 цикла преобразования (теорема Котельникова). Это тот минимум, при котором форма сигнала после ЦАП все еще напоминает форму входного. Поэтому частота выборки (количество преобразований за 1 секунду) в не очень качественных «дисковых» проигрывателях равна 48 кГц. Максимальная слышимая человеком частота — 20 кГц, поэтому теорема Котельникова в них не нарушается; в то же время частоты выше 5 кГц

ЦАП

АЦП

Рис. 2.19. ЦАП и АЦП. DGND — цифровая «земля». AGND — аналоговая практически не воспринимаются, — а для таких и более низких частот даже в 48 кГц — системах количество выборок превышает 10 шт./период. в более качественных системах частота дискретизации (то же самое, что и частота выборки) увеличена в 2 или 4 раза — соответственно, 96 и 192 кГц.

Еще один важный параметр аналого-цифро-аналоговых систем — разрядность преобразователей. Чем она выше, тем с большей точностью передается амплитуда исходного аналогового сигнала и тем точней она воспроизводится на выходе системы. Кроме того, от разрядности зависит динамический диапазон (ДД) системы (а иногда ДД зависит от разрядности), т. е. отношение максимальной амплитуды сигнала (аналогового) к минимальной. На рис. 2.15, а изображен примитивнейший аналоговый сигнал; на самом деле звуковой сигнал имеет форму, как на рис. 2.15, в. Амплитуда низкочастотной составляющей звука (на рисунке для наглядности помечена пунктиром) иногда в сотни-тысячи раз превышает амплитуду высокочастотной составляющей; в то же время для качественного воспроизведения «оцифрованной» высокочастотной составляющей необходимо, чтобы на ее амплитуду приходилось не менее 1.. 10 тысяч «диапазонов». Так как низкочастотную составляющую тоже нужно «оцифровывать», то количество «диапазонов» нужно умножить на 100… 1000. Плюс к этому нужно создать некоторый «резерв», чтобы амплитуда аналогового сигнала не выходила за границы «пола» и «потолка» АЦП.

Для преобразования человеческого голоса с «телефонным» качествсм (низкие частоты не слышны, высокие — тоже, звук — «бубнящим», но слова различимы) достаточно 8-разрядных преобразователей и частоты дискретизации от 2 кГц; для обработки звука с качеством УКВ/FM-радиостанций нужнс минимум 16 бит (16 разрядов) при частоте дискретизации 48 кГц; для систем типа «домашний кинотеатр» нужно 24 бит х 96 (192) кГц.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 2. Аналоговые устройства. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 288 с. — (Серия «СОЛОН — РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ» выпуск 24)

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