Аналого-цифровые и Цифро-аналоговые преобразователи. (АЦП) и (ЦАП)

Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) главным образом применяются для сопряжения цифровых устройств и систем с внешними аналоговыми сигналами, с реальным миром. При этом АЦП преобразует аналоговые сигналы во входные цифровые сигналы, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки или хранения, а ЦАП преобразует выходные цифровые сигналы цифровых устройств в аналоговые сигналы.

В качестве ЦАП и АЦП обычно применяются специализированные микросхемы, выпускаемые многими отечественными и зарубежными фирмами.

Микросхему ЦАП можно представить в виде блока (рис.13), имеющего несколько цифровых входов и один аналоговый вход, а также аналоговый выход.

Рис. 13. Микросхема ЦАП

На цифровые входы ЦАП подается n-разрядный код N, на аналоговый вход — опорное напряжение U_оп (другое распространенное обозначение — U_REF). Выходным сигналом является напряжение U_вых (другое обозначение — U_O) или ток I_вых (другое обозначение — I_O). При этом выходной ток или выходное напряжение пропорциональны входному коду и опорному напряжению. Для некоторых микросхем опорное напряжение должно иметь строго заданный уровень, для других допускается менять его значение в широких пределах, в том числе и изменять его полярность (положительную на отрицательную и наоборот). ЦАП с большим диапазоном изменения опорного напряжения называется умножающим ЦАП, так как его можно легко использовать для умножения входного кода на любое опорное напряжение.

Суть преобразования входного цифрового кода в выходной аналоговый сигнал довольно проста. Она состоит в суммировании нескольких токов (по числу разрядов входного кода), каждый последующий из которых вдвое больше предыдущего. Для получения этих токов используются или транзисторные источники тока, или резистивные матрицы, коммутируемые транзисторными ключами.

В качестве примера на рис.14 показано 4-разрядное (n = 4) цифро-аналоговое преобразование на основе резистивной матрицы R–2R и ключей (в реальности используются ключи на основе транзисторов). Правому положению ключа соответствует единица в данном разряде входного кода N (разряды D0…D3). Операционный усилитель может быть как встроенным (в случае ЦАП с выходом по напряжению), так и внешним (в случае ЦАП с выходом по току).

Рис. 14. 4-разрядное цифро-аналоговое преобразование

Первым (левым по рисунку) ключом коммутируется ток величиной U_REF/2R, вторым ключом — ток U_REF/4R, третьим — ток U_REF/8R, четвертым — ток U_REF/16R. То есть токи, коммутируемые соседними ключами, различаются вдвое, как и веса разрядов двоичного кода. Токи, коммутируемые всеми ключами, суммируются и преобразуются в выходное напряжение с помощью операционного усилителя с сопротивлением R_ОС=R в цепи отрицательной обратной связи.

При правом положении каждого ключа (единица в соответствующем разряде входного кода ЦАП) ток, коммутируемый этим ключом, поступает на суммирование. При левом положении ключа (нуль в соответствующем разряде входного кода ЦАП) ток, коммутируемый этим ключом, на суммирование не поступает.

Суммарный ток I_O от всех ключей создает на выходе операционного усилителя напряжение U_O=I_O R_ОС=I_OR. То есть вклад первого ключа (старшего разряда кода) в выходное напряжение составляет U_REF/2, второго — U_REF/4, третьего — U_REF/8, четвертого — U_REF/16. Таким образом, при входном коде N = 0000 выходное напряжение схемы будет нулевым, а при входном коде N = 1111 оно будет равно –15U_REF/16.

В общем случае выходное напряжение ЦАП при R_ОС = R будет связано со входным кодом N и опорным напряжением U_REF простой формулой

где n — количество разрядов входного кода. Некоторые микросхемы ЦАП предусматривают возможность работы в биполярном режиме, при котором выходное напряжение изменяется не от нуля до U_REF, а от –U_REF до +U_REF. При этом выходной сигнал ЦАП U_ВЫХ умножается на 2 и сдвигается на величину U_REF. Связь между входным кодом N и выходным напряжением U_ВЫХ будет следующей:

Микросхемы АЦП выполняют функцию, прямо противоположную функции ЦАП, — преобразуют входной аналоговый сигнал в последовательность цифровых кодов. В общем случае микросхему АЦП можно представить в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала (рис. 15).

Часто микросхема АЦП имеет также вход для подачи тактового сигнала CLK, сигнал разрешения работы CS и сигнал, говорящий о готовности выходного цифрового кода RDY. На микросхему подается одно или два питающих напряжения и общий провод.

Рис. 15. Микросхема АЦП

В настоящее время разработано много различных методов аналого-цифрового преобразования, например методы последователь­ного счета, поразрядного уравновешивания, двойного интегрирова­ния; с преобразованием напряжения в частоту, параллельного пре­образования. Схемы преобразователей, построенных на основе пе­речисленных методов, могут содержать или не содержать ЦАП.

Схема АЦП последовательного счета приведена на рис(.16, а.) Как видно из графика, время преобразования этого типа перемен­ное и зависит от входного аналогового сигнала, однако такт работы всего устройства постоянен и равен ,, где T₀ — период гене­ратора опорных импульсов, n-разрядность счетчика и собственно АЦП. Работа такого АЦП не требует синхронизации, что значи­тельно упрощает построение схемы управления. С момента поступ­ления сигнала «Старт» на выходе АЦП с частотой 1/T_p изменяются цифровые коды результата преобразования (частота 1/T_p — пара­метр, определяющий максимально допустимую частоту отслежива­ния входного сигнала,).

Рис.16

Важнейшими характеристиками АЦП являются их точность, быстродействие и стоимость. Точность связана с разрядностью АЦП. Дело в том, что аналоговый сигнал на входе АЦП превращается в двоичный цифровой код на выходе, т.е. АЦП является измерителем величины аналогового сигнала с точностью до половины самого младшего разряда. Поэтому, скажем, 8-разрядный АЦП обеспечивает точность преобразования не выше, чем от максимально возможного значения. 10-разрядный АЦП обеспечивает точность преобразования не выше, чем , 14-разрядный – точность не выше , а 16-разрядный – не выше от максимально возможного значения.

Быстродействие АЦП характеризуют промежутком времени, требуемым для выполнения одного преобразования, или количеством возможных преобразований за единицу времени (частотой преобразований).

Обычно чем выше точность (разрядность) АЦП, тем ниже его быстродействие, и чем выше точность и быстродействие, тем выше и стоимость АЦП. Поэтому, проектируя интеллектуальный сенсор, надо правильно подбирать его параметры.

АЦП ныне строят по разным схемным принципам и выпускают в виде как отдельных интегральных микросхем, так и в виде узлов более сложных схем (например, микроконтроллеров).