Цифроаналоговый преобразователь

Цифровые и аналоговые электронные устройства и системы сосуществуют, зачастую даже в пределах одного устройства есть аналоговая часть (части) и цифровая часть. Первая, как правило связана с датчиками физических величин, многоуровневых по своей природе (датчиками температуры, скорости, количество оборотов вала, вольтметрами, ваттметрами и т.д.). Вторая, цифровая часть более тесно связана с компьютером, микропроцессором или сигнальным процессором, служащими для обработки данных и управления устройством. Очевидно, должны существовать преобразователи физических величин из одного «формата» в другой. Такие схемы существуют: преобразователь цифровых кодов в многоуровневый сигнал называется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП); схема, обеспечивающая обратную трансформацию – аналогоцифровым преобразователем (АЦП),

Практически все ЦАП построены по одному и тому же принципу: каждому разряду двоичного числа соответствует вполне определенное значение электрического тока или напряжения. Младшему разряду числа соответствует минимальное значение тока. В «булевой» алгебре «вес» соседних разрядов отличается в два раза (в привычном нам десятичном счислении в 10 раз!), поэтому значения «разрядных» токов или напряжений тоже должны отличаться в два раза. Токи и напряжения складываются. При этом суммируются только те токи, которым в двоичном числе в разряде соответствует единица. Универсальная формула, поясняющая работу ЦАП, (сложения токов) имеет вид:

I_Σ = I∙2⁰∙а₁ + I∙2¹∙а₂ + I∙2²∙а₃ + I∙2³∙а₄ +… = I∙а₁ + 2I∙а₂ + 4I∙а₃ + 8I∙а₄ +…,

где I – минимальный ток, соответствующий младшему разряду преобразуемого двоичного числа, I_Σ – суммарный ток, а₁…а₄ – значения разрядов числа (ноль или единица).

Рассмотрим ЦАП, предназначенный для преобразования трехразрядного параллельного двоичного кода в многоуровневый аналоговый сигнал. Схема ЦАП изображена на рис. 11.19. Система электрических токов, отличающихся ровно в два раза от разряда к разряду, формируется с помощью матрицы высокоомных резисторов повышенной точности, включенных в коллекторные цепи транзисторов.

Рис. 11.19

Транзисторы работают в ключевом режиме: при поступлении на базу U¹они открыты (насыщены), при подаче U⁰ – закрыты (находятся в отсечке). Поскольку сопротивление транзисторов даже в насыщенном состоянии отлично от нуля, это могло бы вызвать погрешность преобразования – однако применение в матрице именно высокоомных резисторов низводит ошибку до пренебрежимо малого уровня.

Разрядные токи поступают в сумматор, выполненный на ОУ. На его выходе формируется напряжение, пропорциональное аналоговой величине, получающейся при преобразовании двоичного кода в многоуровневый сигнал. Следует отметить, что схема рис. 11.19. является упрощенной, так как она предназначена лишь для пояснения принципа действия ЦАП – например, не учтена инверсия суммы сигналов на выходе ОУ. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев в электронных устройствах применяют ЦАП, выполненные в виде готовых интегральных микросхем.

При использовании двукратного преобразования многоуровневого сигнала (вначале – в двоичный код, а затем обратно в аналоговый «формат»), следует учитывать неизбежность внесения погрешностей дискретизации. Погрешность, которую вносит АЦП, ЦАП принципиально устранить не может, так как точность цифроаналогового преобразования задана значением минимального электрического тока, соответствующего младшему разряду цифрового кода.

ГСИН на базе ЦАП

На базе ЦАП можно построить генератор ступенчато изменяющегося напряжения (ГСИН). Для этого необходимы высокостабильный генератор прямоугольных импульсов типа меандра (например – кварцевый генератор гармонических сигналов с двусторонним усилителем-ограничителем на выходе), двоичный счетчик со схемой остановки и сброса по заданному номеру импульса и ЦАП. Функциональная схема ГСИН на базе ЦАП приведена на рис. 11.20.

Рис. 11.20

Ступенчато изменяющееся напряжение (СИН) применяется в различных индикаторных устройствах. СИН – многоуровневый, аналоговый сигнал. Построение ГСИН на базе ЦАП является примером того, как при решении задач аналоговой электроники может быть использован арсенал цифровых схем. Наряду с ГСИН на базе ЦАП существует и чисто аналоговая схема генератора ступенчато изменяющегося напряжения, но она сложна по своему принципу действия и генерирует СИН с относительно длинными фронтами.

Параллельный АЦП

Существует два типа аналогоцифровых преобразователей. АЦП параллельного типа осуществляет сравнение аналогового многоуровневого сигнала одновременно с большим количеством порогов, которые поступают на компараторы. Схема параллельного АЦП приведена на рис. 11.21.

Рис. 11.21

Пороги задает высокоточный резистивный делитель. Сами компараторы, являющиеся двухвходовыми, устроены несколько иначе, чем рассмотренные в главе 7: на их выходах формируются не разнополярные сигналы с уровнями + Е и −Е, а однополярные со значениями U⁰ и U¹. Этого можно добиться, подключив к выходам компараторов сумматоры (на рис. 11.21 сумматоры не показаны). Чем выше точность преобразования, тем больше требуется порогов и в результате тем более сложной и громоздкой становится схема. Например, если значение аналогового сигнала колеблется в пределах от 0…1 В и требуется преобразовать его в код с погрешностью не более 1 %, то необходимо 100 порогов, отстоящих друг от друга на 10 мВ, и, соответственно сто компараторов. В то же время в «булевой» алгебре для преобразования многоуровневого сигнала в код потребуется всего 7 разрядов.

Однако двоичный код, вырабатываемый на выходах компараторов, не соответствует «булевой» алгебре. Фрагмент этого кода приведен в табл. 11.6. Таким образом, в состав АЦП необходимо включить преобразователь код/код.

Табл. 11.6

Десятичное число	Код на выходе блока компараторов

Громоздкость схемы является недостатком параллельного АЦП, но зато параллельность процедуры преобразования обеспечивает хорошее быстродействие АЦП данного типа.

Последовательный АЦП

Последовательный АЦП по своему построению существенно отличается от параллельного. В схеме – всего один компаратор. На один из его входов поступает аналоговый многоуровневый сигнал, а на другой – порог, с которым он сравнивается. Однако этот порог – не постоянный, а меняющийся пошагово. Пошагово меняющийся порог – не что иное, как ступенчато изменяющееся напряжение, и для его формирования используют ГСИН.

Упрощенная функциональная схема последовательного АЦП приведена на рис. 11.22, а поясняющие процесс преобразования диаграммы напряжений в точках схемы – на рис. 11.23. Генератор тактовых импульсов, схема И, двоичный счетчик и ЦАП образуют ГСИН.

Рис. 11.22

Допустим, что аналоговый сигнал впервые после начала работы АЦП поступил на компаратор. Счетчик обнулен, поэтому на выходе ЦАП – нулевое напряжение. Компаратор сравнивает аналоговый сигнал с нулевым порогом. Схема компаратора собрана так, что при превышении сигналом порога на его выходе имеет место уровень U¹ и схема И пропускает тактовые импульсы в счетчик. При поступлении первого тактового импульса в счетчик напряжение на выходе ЦАП повышается на одну «ступеньку» и теперь аналоговый сигнал сравнивается в компараторе не с нулевым порогом, а с напряжением этой «ступеньки». Если аналоговый сигнал больше ступеньки – счёт импульсов и выработка новых порогов продолжаются. Но как только аналоговый сигнал оказывается ниже уровня порога – компаратор переключается, на его выходе устанавливается уровень U⁰, блокирующий дальнейшее прохождение тактовых импульсов через схему И в счетчик. Параллельный код на выходе счетчика соответствует уровню входного аналогового сигнала.

Рис. 11.23

Так как схема является упрощенной, то в ней не показаны некоторые связи, имеющие функциональное значение. Во-первых, код на выходе счетчика непрерывно меняется в процессе счета импульсов. Потребителя интересует только конечный результат и, чтобы сохранить его, в схему вносят регистр. Перезапись двоичного кода из счетчика в регистр должна произойти не ранее обнуления регистра, но после окончания счета импульсов. После перезаписи надо обнулить и счетчик, чтобы восстановить первоначальный нулевой порог и начать процедуру аналого-цифрового преобразования повторно. Таким образом, требуется сформировать три задержанных друг относительно друга импульса. Первый из них (импульс обнуления регистра) можно сихронизировать с моментом переключения компаратора (например, формировать короткий импульс из перепада уровней на выходе компаратора с помощью пассивной дифференцирующей цепи). При «доводке» схемы АЦП до реально работающей следует предусмотреть также придание импульсам требуемой полярности (с помощью инверторов), а в каких-то случаях – прямоугольной формы.

Последовательный АЦП выгодно отличается от параллельного отсутствием огромного количества однотипных блоков. Однако работает он медленнее, чем параллельный АЦП. Самый главный недостаток – переменное быстродействие в зависимости от уровня преобразуемого аналогового сигнала: чем этот уровень больше, тем дольше надо считать тактовые импульсы до переключения компаратора.

12. УСИЛИТЕЛЬ КЛАССА D

Существуют различные способы построения усилителей сигналов; самым простым является усилитель, при прохождении через который сигнал не претерпевает изменений по форме и лишь увеличивается по амплитуде и, возможно, меняет свою фазу. Такой усилитель называют усилителем класса А. В усилителях класса В отдельно усиливаются положительные и отрицательные полуволны сигнала, после чего происходит их сложение. Усилитель класса С усиливает только отсеченные от гармонического сигнала верхнюю и нижнюю части в пределах нескольких десятков градусов, в результате чего после суммирования требуется восстановить исходную форму сигнала, что и осуществляется с помощью колебательного контура, настроенного на частоту сигнала. В усилителе класса D в процессе усиления сигнал преобразуется в последовательность прямоугольных видеоимпульсов, увеличиваются их амплитуда и мощность и затем исходная форма сигнала восстанавливается с помощью фильтра низкой частоты. Применение более сложных усилителей оправдано свойственным для них высоким КПД: так, усилитель класса D имеет КПД порядка 90 – 95 %. Усилитель класса D может усиливать как постоянные, так и переменные сигналы. В состав усилителя входят мультивибратор, вырабатывающий двухполярный меандр; интегратор на операционном усилителе, преобразующий прямоугольные импульсы в равнобедренные треугольные; двухвходовый компаратор, обеспечивающий сравнение входного сигнала и треугольных импульсов; двухтактный усилитель для усиления импульсов, образующихся на выходе компаратора, и фильтр низкой частоты, восстанавливающий исходную форму сигнала.

Функциональная схема усилителя приведена на рис. 12.1.

Рис.12.2

Сигнал на выходе компаратора называют сигналом с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ-сигналом), так как длительность («ширина») импульсов зависит от мгновенного значения усиливаемого сигнала. Если мгновенное значение усиливаемого сигнала слишком велико или слишком мало и превосходит амплитуду треугольных импульсов, поступающих с выхода интегратора, то на выходе компаратора импульсы исчезают и ШИМ-сигнал превращается в постоянное напряжение. Получение ШИМ-сигнала поясняет график рис. 12.2, а зависимость длительности («ширины») положительных и отрицательных импульсов на выходе компаратора – рис. 12.3.

Рис.12.3

Выбор периода треугольных импульсов Т определяется максимальной частотой усиливаемого сигнала f_max: для качественного воспроизведения сигнала необходимо обеспечить соблюдение условия Т < 0,1/ f_max.

ШИМ-сигнал имеет богатый гармониками спектр, включающий низкочастотные гармоники, определяемые усиливаемым сигналом, более высокочастотные гармоники спектра треугольных импульсов, комбинационные составляющие. Восстановление исходного сигнала после его трансформации в процессе усиления заключается в устранении из спектра лишних гармоник с помощью низкочастотного фильтра.

Список рекомендуемой литературы

Бескид П. П., Погодин А. А., Филимонов Ю. Л. Электроника. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 1998.

Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Импульсные и цифровые устройства. М.: Высш. шк., 2002.

Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. СПб.: изд-во «Лань», 2001.

Оглавление

1. Основные понятия электроники……………………………………… 2. Элементная база электроники…………………………………………… 3. Фильтры…………………………………………………………………… 4. Линии задержки…………………………………………………………. 5. Усилители на транзисторах……………………………………………… 6. Операционные усилители………………………………………………. 7. Компараторы……………………………………………………………… 8. Электронные ключи………………………………………………………. 9. Генераторы гармонических сигналов…………………………………… 10. Генераторы импульсов………………………………………………… 11. Основные цифровые схемы……………………………………………. 12. Усилитель класса D…………………………………………………….. Список рекомендуемой литературы………………………………………

Погодин Алексей Андреевич

Электроника

Учебное пособие

Редактор И. Г. Скачек

__________________________________________________________________

Подписано к печати 25.12.2009. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Печ. л. 6,0

Тираж 250 экз. Заказ

__________________________________________________________________

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5