67, 72. Основні принципи перетворення сигналів. Дискретизація сигналів. Цифро-аналогові перетворювачі.

Інформація, отримана з фізичного експерименту, має бути перетворена на таку, яку сприймає ЕОМ. Для перетворення аналогових сигналів на двійковий код служать пристрої – аналогово-цифрові перетворювачі (АЦП). Звичайно, будь-який експеримент має бути керованим. У цьому випадку постає протилежне завдання – переведення двійкових кодів в аналоговий сигнал, що вирішується за допомогою цифро-аналогових перетворювачів (ЦАП).

Дискретизація – представлення неперервного аналогового сигналу послідовністю його значень (відліку). Відлік береться, як правило, у рівновіддалені моменти часу. Проміжок часу між моментами відліку називається інтервалом дискретизації. Обернена інтервалу дискретизації величина називається частотою дискретизації.

Зрозуміло, що чим вище частота дискретизації, тим меншою є різниця між аналоговим сигналом та його дискретизованою копією. Спотворення сигналу можна усунути за допомогою фільтра нижніх частот. Таким чином відбувається відновлення аналогового сигналу із дискретизованого. Але відновлення буде точним тільки в випадку, коли частота дискретизації перевищуватиме максимальну частоту вхідного сигналу принаймні вдвічі (теорема Котельникова). Якщо ця умова не виконується, то дискретизація супроводжується спотвореннями, які не усуваються. У результаті дискретизації у частотному спектрі сигналу з'являються додаткові компоненти, розташовані навколо гармонік частоти дискретизації в діапазоні, що дорівнює подвоєній ширині спектра вхідного аналогового сигналу. Якщо максимальна частота в частотному спектрі аналогового сигналу перевищує половину частоти дискретизації, то додаткові компоненти потраплять до смуги частот вхідного аналогового сигналу. У цьому випадку відновити вхідний сигнал без спотворень уже неможливо.

Цифро-аналогові перетворювачі (ЦАП) призначені для перетворення числа, визначеного, як правило у двійковому коді, на напругу або струм, що пропорційні значенню цифрового коду.

ЦАП можна умовно поділити за:

- схемним виконанням;

- типом вихідного сигналу (напруга, струм);

- типом цифрового інтерфейсу (паралельні, послідовні);

- кількістю ЦАП в одній мікросхемі (багатоканальні, одноканальні);

- швидкодією.

4-розрядний ЦАП (Н-розрядний аналогічно):

Подібна базова схема активно використовувалась на початкових етапах виробництва цифро-аналогових перетворювачів. Але в її виконанні є один суттєвий недолік – великий динамічний діапазон опорів.

У випадку з n-розрядним перетворювачем потрібно n+1 резистор, а опір резисторів у колі МЗР в 2n більше опору зворотного зв'язку.

У 8-розрядному ЦАП потрібно 9 резисторів з опорами від 5 КОм до 1,28 МОм (256*5КОм). Значення опорів у такому широкому діапазоні практично неможливо отримати за технологією напівпровідникової мікроелектроніки.

ЦАП на основі резистивної матриці R-2R:

У загальному випадку отримаємо: Uвих = V * (А₀ * 1 / 16 + А₁ * 1 / 8 + А₂ * 1 / 4 + А₃ * 1 / 2), де А_і = 1, якщо відповідний ключ (Кi) знаходиться в положенні " 1 "і А_і = 0, якщо відповідний ключ знаходиться в положенні" 0 ". Тобто, замикаючи різними способами ключі К0 ... К3 (або, інакше кажучи, подаючи на вхід чотирьохбітне число A₃A₂A₁A₀) ми можемо отримати 2⁴ = 16 різних значень вихідної напруги (від Uвих = 0 до Uвих = V * (1-1 / 16) з кроком D = V * 1 / 16. Таким чином, дана схема являє собою найпростіший паралельний чотирибітний цифро-аналоговий перетворювач.