Лекция 33. Цифро-аналоговые и аналого- цифровые преобразователи

Электронные средства обработки информации являются универсальными и применяются в любой отрасли народного хозяйства. Это происходит потому, что любая физическая величина преобразуется датчиками в электрический сигнал, один из параметров которого отражает полезную информацию. Как правило, это аналоговые сигналы. Чтобы для обработки таких сигналов применить средства цифровой электроники (ЭВМ, цифровые измерительные приборы, цифровые системы связи и т. п.), их необходимо преобразовать в цифровую форму.

Чаще всего преобразованию в цифровую форму подвергаются информативные параметры электрических сигналов – напряжение, ток, частота, начальная фаза. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называют аналого-цифровым преобразователем (АЦП). На выходе АЦП формируется двоичный код, кодовые комбинации которого затем обрабатывается арифметически цифровым сигнальным процессором.

После обработки содержащаяся в сигнале информация может быть преобразована обратно в аналоговую форму с использованием цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Рассмотрим основные способы построения схем таких преобразователей.

1. Цифро-аналоговые преобразователи

Суть цифро-аналогового преобразования заключается в использовании веса разрядов кодовой комбинации х₄х₃х₂х₁. Вес i-го разряда кода 8 – 4 – 2 – 1 вдвое больше, чем вес (i – 1)-го разряда. Если младшему разряду поставить в соответствие напряжение U_кв (напряжение кванта), то преобразование кодовой комбинации в напряжение можно выполнить по правилу:

U_вых = U_кв·(х₄·8 + х₃·4 + х₂·2 + х₁·1).

Например, кодовой комбинации 0011 соответствует U_вых = 3·U_кв, а кодовой комбинации 1100 U_вых = 12·U_кв.

Большинство используемых структур ЦАП (отличных от простого одноразрядного ЦАП, основанного на одном коммутаторе с использованием опорного напряжения) являются двоичными взвешивающими или многозвенными схемами лестничного типа. Одна из простейших структур, делитель Кельвина, приведена на рис. 33.1.

Схема представляет трехразрядный преобразователь код – напряжение. Она содержит источник опорного напряжения U_оп, 2ⁿ последовательно соединенных равных по сопротивлению резисторов, 2ⁿ электронных ключей и дешифратор n×2ⁿ. Входной сигнал представляет собой трехразрядную кодовую комбинацию х₁х₂х₃. Этот сигнал поступает на вход дешифратора. На выходе дешифратора, соответствующем входной кодовой комбинации, формируется сигнал, замыкающий одноименный с выходом дешифратора электронный ключ. Выходной сигнал представляет определенный уровень напряжения, который снимается с выхода делителя Кельвина. Современные ЦАП, использующие эту архитектуру, называются строковыми.

Схема проста, имеет выход с изменяющимся значением напряжения, обеспечивает линейность преобразования, если все резисторы равны по значению и может быть преднамеренно сделана нелинейной. Ее главным недостатком является большое количество резисторов и ключей (звеньев), требуемых для обеспечения высокой разрешающей способности. Этот недостаток не позволяет использовать схему в качестве самостоятельного ЦАП, но она применяется как составная часть более сложных структур ЦАП.

Существует аналогичный ЦАП с токовым выходом, который также состоит из 2ⁿ звеньев - резисторов, или источников тока и ключей, но подключенных теперь параллельно между входом опорного напряжения и виртуальным заземленным выходом (рис. 33.2).

В данном ЦАП, как только какой-либо резистор подключается к цепи, любые дальнейшие увеличения цифрового кода уже не могут его отключить. Таким образом, структура является изначально монотонной, независимо от погрешностей резисторов и, подобно предыдущему случаю, может быть сделана преднамеренно нелинейной там, где эта нелинейность требуется. Рассмотренные схемы получили название полно-декодирующих ЦАП.

Очевидным недостатком этого типа схем является большое количество звеньев, требуемых для создания 14-, 12-, 10- или даже 8-разрядного ЦАП. Существенного упрощения можно добиться применением сегментации.

При сегментации n – разрядная кодовая комбинация разбивается на к частей (сегментов) по m = n / к разрядов каждая. Каждый из сегментов преобразуется в аналоговую величину одной из приведенных схем, причем, каждая схема содержит 2^m звеньев. Для реализации общей схемы ЦАП потребуется М = к·2^m звеньев, что существенно меньше N = 2ⁿ.

Для примера рассмотрим вариант схемы 12-разрядного ЦАП, приведенной на рис. 33.3. В схеме этого ЦАП используется 12 – ти разрядный регистр для хранения входной кодовой комбинации на интервале преобразования и три сегмента, каждый из которых имеет структуру, аналогичную рис. 33.1. В состав схем сегментов включены дешифраторы 4 × 15 и пятнадцать звеньев (резистор – ЭК). На вход дешифратора первого сегмента поступают четыре младших разряда 12 – ти разрядной входной кодовой комбинации. Младшему разряду первого сегмента ставится в соответствие напряжение U_кв., старшему – 8·U_кв.. В зависимости от состояния разрядов напряжение на выходе первого сегмента может изменяться от 0 до 15·U_кв..

Структура и принцип работы второго и третьего сегментов аналогичны первому сегменту. Отличие заключается в том, что на вход дешифратора второго сегмента поступают 5, 6, 7 и 8 разряды входной кодовой комбинации, а на вход дешифратора третьего сегмента старшие разряды - с 9 - го по 12 – й. Кроме того, младшему разряду второго сегмента ставится в соответствие вес 16·U_кв., и напряжение на его выходе может изменяться от 16 до 240U_кв.. Младшему разряду третьего сегмента присваивается вес 256·U_кв., и напряжение на его выходе может изменяться от 256 до 3840·U_кв..

В нагрузке ЦАП выходные напряжения сегментов складываются. Это позволяет реализовать 2¹² = 4096 уровней выходного сигнала. Например, если принять значение кванта напряжения U_кв = 0,1 mB, то при поступлении на вход схемы рис. 33.3 кодовой комбинации

F = 001101010101

на выходе ЦАП формируется сигнал U_вых = 85,3 mB, а при поступлении кодовой комбинации

F = 001101010110

получим U_вых = 85,4 mB.

Для реализации рассмотренной схемы ЦАП необходимо 45 электронных ключей и 45 триггеров регистра. Работа схемы обеспечивается последовательностью тактовых импульсов, управляющих вводом кодовой комбинации, декодированием соответствующих сегментов этой комбинации и передачей результатов декодирования в виде управляющих сигналов на входы ЭК.