Построение аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. Основные алгоритмы аналого-цифровых преобразования.

Широкое распространение в настоящее время получила обработка информации в цифровой форме, на которой основаны цифровые управляющие машины, цифровые измерительные приборы и т.д.

При их использовании возникает необходимость преобразования аналоговой величины (напряжение, ток, частота, температура, давление и т.п.) в цифровой код, подаваемый на вход цифрового устройства. Часто возникает обратная задача: цифровой код с выхода цифрового устройства нужно преобразовать в аналоговый сигнал (напряжение, ток и т.п.). Для выполнения этих стандартных задач используют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, которые выполняются и в виде ИМС. Рассмотрим основные способы построения таких преобразователей.

Рис. 4.29. Цифро-аналоговый преобразователь

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует цифровой двоичный код в аналоговую величину, обычно напряжение . Каждый разряд двоичного кода имеет определенный «вес». Каждый разряд двоичного кода имеет определенный «вес»; вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

где e — напряжение, соответствующее весу младшего разряда

— значение i-го разряда двоичного кода (0 или 1).

Например, числу 1001 соответствует , а числу 1100 .

Упрощенная схема реализации ЦАП представлена на рис. 4.29. В схеме i-йключ замкнут при , при - разомкнут. Резисторы подобраны таким образом, что

Эквивалентное сопротивление обведенного пунктиром двухполюсника и сопротивление нагрузки образуют делитель напряжения, тогда

Проводимость двухполюсника равна сумме (ветвей (при i-ветвь включена, при — отключена):

Подставив (4.5) в (4.4), получим выражение, идентичное (4.3):

Очевидно, что . Выбором e можно установить требуемый масштаб аналоговой величины.

4.11.2. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Существует несколько способов создания АЦП. Рассмотрим в упрощенном виде наиболее распространенный способ построения. Структурная схема представлена на рис. 4.30, а.

Рис. 4.30. Аналого-цифровой преобразователь

АПЦ состоит из мультивибратора, генерирующего тактовые импульсы С (рис. б), реверсивного счетчика, подсчитывающего тактовые импульсы, ЦАП и компаратора К. Реверсивный счетчик работает на сложение при подаче сигнала 1 на вход «+» и на вычитание при сигнале 0 на названном входе.

На первый вход компаратора подан входной аналоговый сигнал — напряжение . В момент схема включена в работу, исходное состояние счетчика . На выходе ЦАП эквивалент кода, записанного в счетчике, т. е. нулевой сигнал. При сигнал компаратора положительный, этот сигнал подается на вход «+» счетчика, который работает на сложение. С каждым импульсом С код счетчика начинает увеличиваться, пока сигнал ЦАП не превысит . Компаратор переключается, на вход «+» подается нулевой сигнал и счетчик переходит в режим работы на вычитание.

Очередной импульс С уменьшает код счетчика, уменьшается сигнал на выходе ЦАП, компаратор снова переключается в первоначальное положение и так далее. При этом напряжение на выходе ЦАП колеблется около значения . Напряжение на выходе ЦАП однозначно связано с кодом счетчика, поэтому код счетчика соответствует значению . Выходной сигнал АЦП снимается с разрядов реверсивного счетчика.

Временные диаграммы рис. 4.30, б показывают, что при включении устройства и при изменении входного сигнала существует время запаздывания установки кода на счетчике. Для уменьшения этого интервала частота мультивибратора MB должна быть увеличена.