Аналого-цифровими перетворювачами (АЦП) називають пристрої, що перетворюють вхідні аналогові сигнали у вихідні цифрові.

Цифроаналоговими перетворювачами (ЦАП) називають пристрої, що виконують зворотну функцію, т. Е. Що перетворюють вхідні цифрові сигнали у вихідні аналогові.

Ці сигнали придатні для подальшої взаємодії з елементами цифрової техніки, зокрема, з мікропроцесорами. Таким чином, при використанні АЦП відбувається перетворення безперервної в часі функції, яка описує вихідний аналоговий сигнал, в безперервну послідовність цифрових сигналів, віднесених до деяких фіксованих моментів часу.

Основними параметрами АЦП [20.1] є:

♦ роздільна здатність;

♦ точність;

♦ швидкодію.

За схемою реалізації [20.1, 20.2] АЦП поділяють на чотири

групи.

Група 1. Паралельні.

Група 2. Послідовні, в тому числі:

♦ послідовні;

послідовного наближення;

послідовного рахунки, включаючи стежать;

♦ інтегрують, включаючи одноактні та багатотактного, перетворювачі напруга-частота, сигма-дельта перетворювачі.

Група 3. Комбіновані або послідовно-паралельні, в

тому числі:

♦ багатотактного;

♦ багатоступінчасті;

♦ конвеєрні;

♦ з подвійним інтегруванням.

Група 4. Прямого перетворення.

В АЦП паралельного типу обробка вхідного сигналу проводиться за допомогою лінійки компараторів, резистивний дільник яких підключений паралельно джерелу опорного (еталонного) сигналу Uon. Кількість компараторов і, відповідно, точність перетворення, визначається розрядністю перетворення. Для л-розрядного перетворювача необхідно використовувати 2П – 1 компараторів і 2П прецизійних резисторів. Так, наприклад, для трехразрядного перетворювача необхідно 7 компараторів.

Примітка.

Відповідно, чим вище розрядність АЦП, тим прогрессирующе складніше його схема і вище вартість і енергоспоживання.

Зазвичай поширені 10/11/12-ти бітні АЦП. Це відповідає 1024/2048/4096 щаблях напружень, з яких формується вихідний сигнал.

Спрощена схема трехразрядного паралельного АЦП наведена як приклад на рис. 20.1 [20.2].

Визначення.

Рис. 20.1. Схема трехразрядного паралельного АЦП

Перемикання рівня вихідного сигналу АЦП із зміною рівня вхідного відбувається східчасто, з однаковим кроком, званим рівнем або кроком квантування п.

Крок квантування визначається розрядністю АЦП і задається прецизійним резистивним вхідним дільником. Сигнали з виходів компараторів DA1-DA7 подаються на вхід пріоритетного шифратора, до складу якого входять також тригери DD1-DD3 (рис. 20.1).

Відповідність рівня вхідного аналогового сигналу формованому вихідного цифровому коду проілюстровано табл. 20.1 [20.2].

Примітка.

Перетворення рівня вхідної напруги в рівні вихідних сигналів АЦП Таблиця 20.1

Слід зазначити, що настільки ідеальна картина характерна при відносно медленноменяющіхся вхідних сигналах, а при швидких перепадах вхідної напруги в силу інерційності окремих вузлів АЦП і недосконалості їх властивостей можливі збої (помилки) при перетворенні сигналів.

Для цифро-аналогового перетворення використовують, як правило, сигнали, представлені двійковим кодом. У відповідності зі своїм призначенням, ЦАП виконують функцію, зворотну тій, що виконують АЦП.

Якщо послідовно включити АЦП і ЦАП і подати на вхід аналоговий сигнал, в ідеалі на виході можна отримати сигнал, практично не відрізняється від вхідного. Насправді це не так: вихідний сигнал помітно відстає в часі і складається з мікроступенек, залежно від якості (розрядності) перетворення, більш-менш виражених.

Висновок.

При послідовному включенні ЦАП і АЦП і подачі на вхід цифрового сигналу, на виході буде отриманий також цифровий сигнал, кілька зміщений за часом щодо вхідного.

За схемою реалізації ЦАП [20.2] поділяють на три групи.

Група 1. Паралельні з підсумовуванням:

♦ напруг;

♦ зарядів;

♦ струмів.

Група 2. Послідовні з:

♦ широтно-імпульсною модуляцією;

♦ на перемикаються конденсаторах.

Група 3. Прямого перетворення.

Розглянемо паралельні ЦАП. Робота ЦАП паралельного типу заснована на дозованому (квантованного) підсумовуванні струмів, величини яких відрізняються відповідно до геометричною прогресією: I = 1о, де п – кількість розрядів, 10 – Мінімальний сумміруемих струм. Так, для трехразрядного ЦАП (рис. 20.2) співвідношення резисторів сумматора має бути 1: 2: 4, а для, …, 2, 2.

Рис. 20.2. Схема трехразрядного ЦАП паралельного типу з підсумовуванням вагових струмів

Передбачається, що опір навантаження RH багато менше опору всіх паралельно включених резисторів сумматора, ці резистори не повинні впливати на величину опорної напруги Uon.

Опір замкнутого / разомкнутого ключа не повинно впливати на величину вихідного сигналу. Опору резисторів сумматора повинні бути підібрані з високою точністю [20.1, 20.2]. На практиці ці вимоги виконуються з певним ступенем наближення. Крім того, у розглянутій еквівалентної схемою ЦАП не враховуються ємнісні властивості елементів, наявність яких особливо позначається при роботі перетворювача на підвищених частотах.

Для управління ключами ЦАП використовують керуючі сигнали логічного рівня 1/0, табл. 20.2.

Залежність рівня вихідного сигналу від стану

керуючих ключів трехразрядного ЦАП паралельного типу Таблиця 20.2

Ключ (вага ключа)

Вихідний сигнал

S3 (0,25)

S2 (0,50)

S1 (1,00)

0

0

0

0

1 ‘

0

0

0,25

0

1

0

0,50

1

1

0

0,75

0

0

1

1,00

1

0

1

1,25

0

1

1

1,50

1

1

1

1,75

Схема «-розрядним ЦАП паралельного типу з підсумовуванням вагових струмів показана на рис. 20.3. Очевидними недоліками такого ЦАП є:

♦ виняткова складність забезпечення прийнятної точності номіналів резистивних елементів;

♦ той факт, що до складу цих елементів входить електричний опір ключів – величина нестабільна і деколи обмежує розрядність перетворювача.

Більш досконалими і простими є ЦАП з матрицею R-2R постійного імпедансу, рис. 20.4 [20.2], що стали промисловим стандартом. Ці ЦАП виконані на прецизійних резисторах лише двох стандартних номіналів R і 2R (або одного номіналу, частина яких з’єднана послідовно або паралельно).

Рис. 203. Схема п-розрядного ЦАП паралельного типу з підсумовуванням вагових струмів

Рис. 20.4. Схема п-розрядного ЦАП з матрицею постійного імпедансу

Особливістю ЦАП є те, що при будь-якому положенні керуючих ключів джерело опорної напруги навантажене на постійний вихідний опір. Швидкодія ЦАП визначається частотними властивостями керуючих ключів. Так, час встановлення вихідної напруги для загальнодоступних перетворювачів масових серій з ключами на МОЯ-транзисторах зазвичай не краще 10 мкс.

При роботі швидкодіючих ЦАП в силу їх недосконалості найчастіше спостерігаються імпульсні перешкоди – голкоподібні викиди або провали в вихідному напрузі, що виникають під час перемикання управ / іпощіх ключів у різних розрядах ЦАП.

Примітка.

Ці викиди можуть призвести до спотворення інформації, збоїв роботи радіоелектронної апаратури. Найчастіше голкоподібні викиди візуально на екрані осцилографа малопомітні, тому і збої роботи вузлів апаратури важко діагностуються.

Викиди характеризують за їх піковольтсекундной площі, ПВ-с. Для придушення викидів зазвичай застосовують пристрої виборкі- зберігання інформації.

Мінімізувати вплив опорів замкнених ключів на точність перетворення і одночасно підвищити швидкодію перетворювача вдається при використанні ЦАП на транзисторних джерелах струму, виконаних за схемою, рис. 20.5 [20.2]. Швидкодія ЦАП підвищується при цьому на два порядки.

Крім резистивних ЦАП відомі також і ЦАП на комутованих конденсаторах, рис. 20.6 [20.2]. В основі перетворювача варто

Рис. 20.6. Схема ЦАП на комутованих конденсаторах

конденсаторная матриця зі співвідношенням номіналів, виражених в геометричній прогресії: ЗІ= 2 “С0.

Недоліки такого ЦАП очевидні:

♦ трудність організації низки прецизійних конденсаторів;

♦ великі габарити;

♦ наявність струмів витоку.

Характеристики основних видів мікросхем АЦП і ЦАП наведено в табл. 20.3 і табл. 20.4 [20.2]. Використані абревіатури: ОМР – одиниця молодшого розряду; ПВЗ – пристрій вибірки-зберігання.

Характеристики АЦП Таблиця 20.3

АЦП

Розрядність,

біт

Число каналів

Внутрішнє ПВЗ

Час преобр., Мкс (част, пребр., МГц)

U

>s

ф

α

2

X

Внутрішній іст. опорного напруги

Напруга. живлення, В

Потужність потр., МВт

Примітка

АЦП широкого застосування

572ПВ1

12

1

Немає

110

Парал.

Немає

±5:15

120

Потрібні зовнішні ОУ

1108ПВ2

12

1

Немає

2

Парал.

Є

5,-6

1300

Послідовного наближення (ПП)

ΜΑΧ114

8

4

Є

0,66

Парал.

Немає

±5

40

Двоступеневий. Черговому. режим 5 мкВт

AD7893

12

1

Є

б

Поїв.

Немає

±5

30

ПП

Таблиця 20.3 (продовження)

Таблиця 20.3 (продовження)

Характеристики ЦАП Таблиця 20.4

Таблиця 20.4 (продовження)

Шустов М. А., Схемотехніка. 500 пристроїв на аналогових мікросхемах. – СПб .: Наука і Техніка, 2013. -352 с.