Преобразователи (ЦАП и АЦП) - раздел Приборостроение, ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОНИКИ
Поскольку Информация На Входах Цифровых Устройств Обычно Пред...
Поскольку информация на входах цифровых устройств обычно представляется в двоичном коде, а большинство исполнительных механизмов для автоматизированного управления технологическими процессами (исполнительные двигатели, электромагниты и тому подобные), как правило, реагируют на непрерывно изменяющиеся уровни напряжения или тока, для преобразования информации из цифровой в аналоговую форму используют цифроаналоговые преобразователи (ЦАП). Помимо широкого промышленного применения ЦАП используются в современной бытовой электронике, например, в системах высококачественного воспроизведения звука, записанного в цифровой форме на световых носителях информации.
В системах автоматизированного управления для получения информации о состоянии контролируемого промышленного оборудования применяют различного рода преобразователи (датчики) неэлектрических величин в электрические сигналы, которые чаще всего представляются в аналоговом виде. Для последующей обработки этой информации при помощи цифровых устройств такие сигналы должны быть предварительно преобразованы в цифровую форму. В самом общем случае преобразование аналог – цифра выполняют в два этапа. В начале непрерывно изменяющийся сигнал заменяют его значениями в дискретные моменты времени, что называют дискретизацией во времени. Затем эти значения сигнала подают на вход аналого-цифровых преобразователей (АЦП), которые с некоторым шагом квантования по уровню представляют их цифровым эквивалентом в виде двоичного кода.
Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие и погрешность преобразования, определяемая абсолютной погрешностью преобразования и относительной разрешающей способностью. Быстродействие ЦАП и АЦП характеризуется временем преобразования: для ЦАП это отрезок времени после поступления входного двоичного кода до установления его выходного аналогового сигнала; для АЦП – интервал времени от его пуска до момента получения выходного двоичного кода.
Абсолютная погрешность преобразования равна половине шага квантования по уровню . При шаге квантования , например, n – разрядный ЦАП должен обеспечивать различных значений выходного напряжения, максимальное значение которого называют напряжением шкалы , связанным с соотношением . Относительной разрешающей способностью называют отношение шага квантования по уровню к напряжению шкалы. Для n-разрядных ЦАП и АЦП .
Цифроаналоговые преобразователи. ЦАП представляют собой устройства для создания аналогового выходного значения напряжения (или тока), соответствующего числовому эквиваленту двоичного цифрового кода на его входе. Зависимость выходного параметра ЦАП, например, напряжения на его выходе, от кодового эквивалента входного сигнала называют характеристикой преобразования. На рисунке 3.36а представлена характеристика преобразования четырёхразрядного ЦАП.
а б
Рис. 3.36. Цифро-аналоговый преобразователь
Принцип действия простейшего ЦАП поясняет схема на рисунке 3.36б. Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых ко входу операционного усилителя ключами, которые управляются двоичным кодом (например, параллельным кодом регистра или счётчика).
Коэффициенты передачи по входам , , и равны соответственно:
, , ,
где - числа, принимающие значения 0 и 1 в зависимости от положения соответствующих ключей.
Выходное напряжение ЦАП определяется суммой:
.
Таким образом, четырёхразрядный двоичный код преобразуется в уровень в диапазоне от 0 до 15, где - шаг квантования. Для уменьшения погрешности квантования необходимо увеличивать число двоичных разрядов ЦАП.
Микросхемы ЦАП после номера серии в обозначении первой имеют букву П (для всех преобразователей), а второй – букву А. На рисунке 3.36в представлена интегральная схема типа К572ПА1, представляющая собой выполненный на основе КМОП - технологии десятиразрядный ЦАП с временем преобразования не более 5 микросекунд. К сожалению, при разработке этой интегральной схемы технологически не удалось на одной подложке вместе с КМОП – ключами и (R-2R)-матрицей выполнить и схему ОУ, поэтому ЦАП К572ПА1 всегда дополняют внешней микросхемой ОУ, подключение которой также показано на рисунке 3.36в. В заключение отметим, что ЦАП К572ПА1 обеспечивает уникальную возможность выполнить операцию умножения аналоговой величины на другую величину, задаваемую двоичным цифровым кодом на входах D0—D9, при этом результат умножения представляется также в аналоговом виде выходным напряжением ЦАП. По этой причине ЦАП К572ПА1 иногда называют умножающим.
Аналогово-цифровые преобразователи АЦП представляют собой устройство для сопоставления цифрового двоичного кода уровню аналогового сигнала на его входе Характеристикой преобразования АЦП называют зависимость числового эквивалента двоичного кода на выходе АЦП от нормированного к напряжению шкалы входного аналогового сигнала . Она также представлена многоступенчатой ломаной линией, подобной изображённой на рисунке 3.36а, с той лишь разницей, что для четырёхразрядного АЦП оси абсцисс и ординат меняются местами.
В настоящее время наибольшее распространение получила классификация интегральных АЦП на основе рассмотрения характера развития в них процесса преобразования во времени. Согласно такому подходу все интегральные АЦП можно разбить на три типа: последовательного действия (развёртывающего типа) и параллельного действия (параллельного типа). К АЦП развёртывающего типа относят АЦП с последовательным счётом, с поразрядным уравновешиванием (последовательных приближений) и интегрирующие АЦП.
Структурная схема АЦП последовательного счёта представлена на рисунке 3.37. Постоянное (в течение времени действия импульса считывания, длительность которого выбирается чуть меньше периода дискретизации ) положительное напряжение поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1, работающего в режиме компаратора. На инвертирующий вход DA1 подаётся выходное напряжение ЦАП DA2 (например, с генератора линейно изменяющегося напряжения), цифровые входы которого подключены к выходам двоичного счётчика СТ2. В исходное нулевое состояние счётчик СТ2 устанавливается импульсом на его входе сброса. АЦП запускается импульсом на входе «Пуск», разрешающем работу счётчика СТ2, на счётный вход которого поступают тактовые импульсы, следующие с частотой повторения .
Двоичный код на выходах счётчика пробегает значения натурального числового ряда, а напряжение на выходе DA2 ступенчато нарастает в соответствии с его характеристикой преобразования. В момент времени, когда это напряжение сравнивается с , срабатывает компаратор DA1, прекращая работу счётчика. Изменение состояния DA1 используется в качестве сигнала «Конец преобразования», а выходной код счётчика соответствует цифровому эквиваленту входного аналогового сигнала.
Большим быстродействием обладают ЦАП и АЦП параллельного действия, например, К1107ПВ2.
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:
Преобразователи (ЦАП и АЦП)
Что будем делать с полученным материалом:
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
УТВЕРЖДЕНО
Ученым советом МГУПИ
в качестве учебного пособия
предоставлено кафедрой
электротехника и электроника
ИС-7 МГУПИ,
Зав.кафедрой д.т.н.,
проф. Шат
Полупроводниковые материалы
Работа полупроводниковых приборов основана на использовании электрических свойств материалов, называемых полупроводниками.
По электропроводности полупроводники занимают про
P-n-переход и его свойства
В p-n-переходе концентрация основных носителей заряда в p- и n-областях могут быть равными или существенно различаться. В первом случае p-n-переход называется симметричным, во второ
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковым диодомназывается прибор, который имеет два вывода (приставка "ди-" означает два) и содержит один p-n-переходов. Все полупроводниковые диоды можно раздел
Биполярные транзисторы
Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой р-n-перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть разл
Полевые транзисторы
Полевым транзисторомназывают полупроводниковый электропреобразовательный прибор, ток которого управляется электрическим полем и который предназначен для усиления электрической мощн
Тиристоры.
Тиристоры– это полупроводниковые приборы с тремя или более p-n-переходами, которые имеют два устойчивых состояния и применяются как мощные электродные ключи.
Тиристоры име
Интегральные схемы.
Микроэлектроника –это направление электроники, позволяющее с помощью комплекса технологических, конструктивных и схемотехнических средств создавать малогабаритные, высоконадежные и
Параметры и характеристики усилителей
Основным параметром усилительного устройства является его коэффициент усиления.
В соответствии с разделением усилителей на усилители напряжения, тока и мощности различают:
Принцип работы усилителя
Усилительные устройства предназначены для усиления переменных сигналов и, в частности, синусоидальных сигналов, подаваемых на вход усилителя.
Наличие одного только усилительного элемента (
Эмиттерный повторитель
Малое Rвх и высокое Rвых сопротивления является недостатком УОЭ, не позволяющим к его входу подключать высокоомных источник входного сигнала и низкоомное нагрузочное устройств
Усилительный каскад на полевом транзисторе
Большое распространение получили усилительные каскады на полевых транзисторах, так как они обладают значительно большим входным сопротивлением по сравнению с усилительными каск
Истоковый повторитель
Усилительный каскад, аналогичный эмиттерному повторителю может быть построен на полевом транзисторе, называется каскад истоковым повторителем. Схема его приведена на рис.2.11.
Усилители мощности
Рассмотренные ранее усилительные каскады обеспечивают получение на выходе сигналов, мощность которых значительно выше мощности входных сигналов, однако, основным показателем работы этих каскадов яв
Многокаскадные усилители
Рассмотренные выше однокаскадные усилители имеют, как правило, коэффициент усиления порядка нескольких десятков или сотен единиц. Однако, в реальных устройствах промышленной электро
Усилитель постоянного тока
Для многих практических задач необходимо усиливать медленно изменяющиеся во времени электрические сигналы, являющиеся сигналами низкой частоты (в автоматике, системах управления и с
Обратные связи в усилителях
Конструирование различных электронных устройств на основе ОУ производится с использованием обратных связей. Обратной связью (ОС) называется передача части энергии выходного сигнала
Операционный усилитель
Операционный усилитель с отрицательной обратной связью наиболее часто применяется на практике (см. рис.2.21). Отрицательный характер ОС обусловлен подачей U1 на инвертирующий вход ОУ, та
Избирательный усилитель
Рассмотренные выше схемы усилителей предназначены для усиления входных сигналов в широкой полосе частот.
Генераторы электрических сигналов
Генераторы гармонических сигналов предназначены для преобразования энергии источника питания в энергию электрического сигнала синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. На
Источники питания электронных устройств
Для работы различных электрических устройств необходимы источники электрической энергии (источники питания) постоянного напряжения. Преобразование переменного напря
Однополупериодный выпрямитель
Схема и временные диаграммынапряжений и токов однополупериодного выпрямителя приведены на рис.2.31. схема содержит Тр, в цепь вторичной обмотки которого включены последовательно, диод Д и сопротивл
Сглаживающие фильтры
Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер и его нельзя непосредственно использовать для питания электронных устройств. Поэтому для уменьшения коэффициента пульсаций на входе выпрямителя п
Внешняя характеристика выпрямителя
Внешней характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузочном устройстве от тока в нем UН = ƒ(IН). Наличие такой зав
Стабилизаторы напряжения
Уменьшение напряжения нагрузки UН при изменении потребляемого тока IН (рис.2.35) или из-за изменения температуры является нежелательным явлением, т.к. снижают надежность работ
Амплитудой импульса А;
длительностью импульса tи обычно определяемой на уровне 0,1 А;
длительностью фронта импульса tф – временем нарастания импульса от 0,
Электронные ключи и простейшие формирователи импульсов
В состав многих импульсных устройств входят электронные ключи. Основу любого электронного ключа составляет активный элемент (полупроводниковый диод, транзистор, операционный
Импулсьный режим работы операционных усилителей
Интегральные операционные усилители (ОУ) находят широкое применение в импульсной технике. Передаточная характеристика ОУ имеет вид рис.3.15, соответствующий передаточной характерист
Триггеры
Одно из наиболее распространённых импульсных устройств, относящимся к базовым элементам цифровой техники, — триггер (от англ. trigger — спусковой крючок).
Триггером
Счетчики импульсов
Подсчёт числа импульсов является наиболее распространённоё операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точно
Регистры, дешифраторы, мультиплексоры
Регистромназывают устройство, предназначенное для записи и хранения дискретного «слова» – двоичного числа или другой кодовой комбинации.
Регистр – один из основных элемент
Основные сведения о микропроцессорах
История развития современных средств вычислительной техники насчитывает около 50 лет, однако, за этот период уже сменилось четыре поколения ЭВМ, существенно отличающихся друг от дру
Характеристики измерительных приборов
Основными являются диапазон измерений, чувствительность, порог чувствительности, потребляемая мощность, погрешности.
Диапазон измерений– область значений измеряемой величи
Системы электроизмерительных приборов
В приборах магнитоэлектрической системевращающий момент создается в результате взаимодействия постоянного магнита с проводником с током. Подвижной частью может быть рамка с током и
Условные обозначения на шкале приборов
При практическом применении приборов необходимо определить их пригодность к предстоящему измерению той или иной величины. Данные о приборе в виде условных обозначений указываются на их шкалах и при
Электронные приборы непосредственной оценки
Большое распространение, наряду с вышенаписанным, получили электронные приборы для измерения тока и напряжения. Рассмотрим основные принципы построения электронных вольтметров.
Методы построения приборов сравнения (компенсации)
В большой группе измерительных приборов реализуется метод сравнения измеряемой величины с ее мерой (мерой называется образец, представляющий собой техническое средство, служащее д
Измерение параметров электрических цепей
Основными параметрами электрических цепей являются: для цепи постоянного тока сопротивление R, для цепи переменного тока активное сопротивление
Измерения электрических величин цифровыми приборами
Цифровыми измерительными приборами (ЦИП) называются приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, т. е. показания которых представлены в цифро
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
квантования по уровню представляют их цифровым эквивалентом в виде двоичного кода.
различных значений выходного напряжения, максимальное значение которого называют напряжением шкалы 
, связанным с 
. Относительной разрешающей способностью 
называют отношение шага квантования по уровню 
.
а б
Коэффициенты передачи 
по входам 
, 
, 
и 
равны соответственно:
- числа, принимающие значения 0 и 1 в зависимости от положения соответствующих ключей.
в диапазоне от 0 до 15
на другую величину, задаваемую двоичным цифровым кодом на входах D0—D9, при этом результат умножения представляется также в аналоговом виде выходным напряжением ЦАП. По этой причине ЦАП К572ПА1 иногда называют умножающим.
. Она также представлена многоступенчатой ломаной линией, подобной изображённой на рисунке 3.36а, с той лишь разницей, что для четырёхразрядного АЦП оси абсцисс и ординат меняются местами.
) положительное напряжение 
поступает на неинвертирующий вход ОУ DA1, работающего в режиме компаратора. На инвертирующий вход DA1 подаётся выходное напряжение ЦАП DA2 (например, с генератора линейно изменяющегося напряжения), цифровые входы которого подключены к выходам двоичного счётчика СТ2. В исходное нулевое состояние счётчик СТ2 устанавливается импульсом на его входе сброса. АЦП запускается импульсом на входе «Пуск», разрешающем работу счётчика СТ2, на счётный вход которого поступают тактовые импульсы, следующие с частотой повторения 
.
Новости и инфо для студентов