Аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи
Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), служат для преобразования непрерывно изменяющегося напряжения y = f(t) (аналогового значения) в двоичные цифровые коды. Обратное преобразование из цифрового кода в эквивалентное напряжение осуществляют с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).
АЦП необходимы при обработке информации на ЭВМ, так как информация, с которой оперирует ЭВМ, должна быть в двоичной цифровой форме, а исходные данные от датчиков и других периферийных устройств обычно поступают в аналоговой форме в виде изменений токов или напряжений.
Процесс аналогово-цифрового преобразования включает в себя следующие стадии:
дискретизацию (разбиение, квантование) функции во времени (выбор интервала квантования и проведение измерений сигнала через равные интервалы времени);
квантование сигнала по уровню (выбор интервала квантования по уровню и разбиение диапазона измерений по уровням);
кодирование (преобразование значения функции в двоичный цифровой код).
Минимальный интервал дискретизации определяют исходя из теоремы Котельникова: Dt = 1/(2fв), где fв— верхняя, значимая частота.
Операция дискретизации заключается в определении числовых значений функции y = f(t) в моменты времени t1, t2, t3, ѕ…, tnчерез интервал Dt. В результате дискретизации получают набор значений функции f(t1), f(t2), ѕ, f(tn) с шагом дискретизации Dt.
Операция квантования по уровню заключается в выборе интервала квантования DY и разбиении диапазона измерений по уровням от fmin(t1) до fmax(t1). В некоторых АЦП предусмотрены устройства квантования (квантизаторы), учитывающие предельные значения функции. Обычные АЦП изготовляют с учетом того, что на их вход подается ТТЛ-сигнал уровня ±5 В (или уровня питания операционных усилителей ±15 В), и этот интервал разбивается с учетом разрядности кода на выходе АЦП. В простейших АЦП применяется восьмиразрядный код, обеспечивающий точность измерения 0,4% и 256 уровней градаций. Таким образом, для диапазона ±5 В интервал квантования DY составляет 2,12×10-2В, а для диапазона ±15 В — 6,36×10-2В. Эти значения и будут определять методическую погрешность, возникающую при квантовании сигнала.
Заключительным этапом аналогово-цифрового преобразования является определение уровня напряжения сигнала и формирование соответствующего двоичного цифрового кода.
АЦП на основе преобразования напряжение—частота
Преобразователи напряжение—частота формируют импульсы, частота которых пропорциональна входному напряжению, и широко используются при необходимости перехода от аналогового сигнала (напряжения) к цифровому, выражаемому числом импульсов в единицу времени. Принцип определения состоит в том, что для определения двоичного кода, соответствующего напряжению на входе АЦП, происходит подсчет числа импульсов за определенный интервал времени двоичным счетчиком. Чем больше напряжение на входе АЦП, тем чаще идут импульсы и больше число на выходе счетчика.
Передача сигналов от датчиков на большие расстояния также предпочтительнее в частотной форме, так как она более помехоустойчива.
АЦП последовательного счета
В АЦП последовательного счета используется двоичный счетчик для подсчета импульсов от генератора тактовых импульсов. Результат счетчика преобразуется в напряжение с помощью ЦАП, которое сравнивают в компараторе с цифруемым напряжением. Когда они сравняются, двоичный код счетчика, является цифровым эквивалентом напряжения на выходе ЦАП, а, следовательно, и напряжения Uвхна входе АЦП.
АЦП рассмотренного типа используются довольно широко, так как обладают достаточно высоким быстродействием при относительно простой структуре. Современные восьмиразрядные АЦП имеют достаточно высокую скорость и обеспечивают преобразование радиосигналов с частотой до 10 МГц. Существуют также сверхбыстродействующие четырехразрядные АЦП на квантовых интегрально-оптических устройствах, позволяющие обрабатывать сигналы с частотой до 1 ГГц.
Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) осуществляют действие обратное АЦП, т.е. преобразуют цифровой двоичный код в соответствующее значение напряжения. Такое преобразование необходимо, например, для восстановления звука из цифровой записи на диске. Применяется оно и для восстановления изображения на дисплее ЭВМ или экране телевизора при использовании каналов цифрового телевидения.
Электрические схемы ЦАП реализуют в виде интегральных схем с набором сопротивлений. Схема с резисторами веса включает набор электронных ключей соответствующих двоичному коду и мгновенно формирует напряжение на выходе.