Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для автоматического преобразования (декодирования) входных величин, представленных числовыми кодами, в соответствующие им значения непрерывно изменяющихся во времени (т.е. аналоговых) величин. Иными словами, ЦАП выполняет обратное по сравнению с АЦП преобразование. Выходные физические величины АЦП чаще всего представляют собой электрические напряжения и токи, но могут быть также временными интервалами, угловыми перемещениями и т. п. В системе автоматики с ЭВМ удобнее обрабатывать (преобразовывать и передавать) цифровой сигнал, но человеку (оператору) привычнее и удобнее воспринимать аналоговые сигналы, соответствующие значениям числовых кодов. С помощью АЦП информация вводится в ЭВМ, а с помощью ЦАП она выводится из ЭВМ для воздействия на управляемый объект и восприятия человеком.

В схемах ЦАП обычно используется представление двоичного числа, состоящего из нескольких разрядов, в виде суммы степеней числа 2. Каждый разряд (если в нем записана единица) преобразуется в аналоговый сигнал, пропорциональный числу 2 в степени, равной номеру разряда, уменьшенному на единицу.

На рис. 4.38 показана простая схема ЦАП, основу которой составляет резистивная матрица - набор резисторов, которые подключаются ко входу операционного усилителя ключами, управляемыми соответствующими разрядами двоичного числа. В качестве ключей могут быть использованы триоды (например МОП-транзисторы). Если в данном разряде записана 1, то ключ замкнут, если 0 - разомкнут.

Необходимость использования операционного усилителя обусловлена тем, что в ЦАП выходной сигнал является аналоговым. И входной, и выходной сигналы операционного усилителя представляют собой напряжения постоянного (в смысле неизменной полярности) тока.

Коэффициент передачи операционного усилителя равен отношению сопротивления резистора R о.с в цепи обратной связи к сопротивлению резистора на входе усилителя, которое, как видно из рис. 4.38, для каждого разряда имеет свое значение. Коэффициенты передачи K = - U вых /U оп по каждому разряду преобразуемого двоичного числа (если в этом разряде записана 1) соответственно равны: K 0 = R о.с /R 0 ; K 1 = 2R о.с /R 0 ; K 2 = 4R о.с /R 0 ;
K 3 = 8R о.с /R 0 . Выходное напряжение ЦАП

U вых = - U оп (K 3 + K 2 + K 1 + K 0) =

= - U оп (R о.с /R 0)(8x 3 + 4x 2 + 2x 1 + x 0),

где х принимает значение 1 или 0 в зависимости от того, что записано в данном разряде двоичного числа.

Рис. 4.38. Схема цифроаналогового
преобразователя на базе резистивной матрицы

Таким образом, четырехразрядное двоичное число преобразуется в напряжение U вых,которое может принимать 16 возможных значений от 0 до 15Du кв, где Du кв - шаг квантования.

Для уменьшения погрешности квантования необходимо увеличивать число двоичных разрядов ЦАП. При изготовлении интегральных микросхем ЦАП по данной схеме очень трудно сделать высокоточные резисторы с сопротивлениями, отличающимися друг от друга в десятки и сотни раз. Кроме того, нагрузка источника опорного напряжения U оп изменяется в зависимости от состояния ключей, поэтому необходимо применять источник с малым внутренним сопротивлением.

Схема ЦАП, показанная на рис. 4.39, свободна от указанных недостатков. В ней весовые коэффициенты каждого разряда задаются последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы типа R- 2R ,представляющей собой многозвенный делитель напряжения.

В данной схеме ЦАП используются двухпозиционные ключи , которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу операционного усилителя (при 1 в данном разряде), либо к общему нулевому проводу. Входное сопротивление резистивной матрицы при этом не зависит от положения ключей. Коэффициент передачи между соседними узловыми точками матрицы составляет 0,5. Выходное напряжение

U вых = - U оп (R /16R )(x 1 + 2x 2 + 4x 3 + 8x 4).

Рис. 4.39. Схема цифроаналогового преобразователя
на базе резистивной матрицы R-2R

Наибольшее влияние на погрешность ЦАП оказывают отклонения сопротивлений резисторов от их номинальных значений, а также то, что у реального ключа сопротивление в закрытом состоянии не равно бесконечности, а в открытом - не равно нулю. Выпускаемые резистивные матрицы имеют относительную погрешность около сотых долей процента, т.е. являются очень точными.

4.5.2. Аналого-цифровые преобразователи параллельного кодирования

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для автоматического преобразования (измерения и кодирования) непрерывно изменяющихся во времени (т.е. аналоговых) величин в соответствующие значения числовых кодов. В данном случае под словом «цифра» понимается двоичный код. Когда говорят о цифровой звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре или о цифровой телефонии, то подразумевают, что непрерывно изменяющийся звуковой сигнал записывается или передается оцифрованным, т.е. в виде двоичных (бинарных) кодов.

В зависимости от способа преобразования АЦП подразделяют на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного типа. Преобразование аналогового сигнала в код в них осуществляется за один шаг, но такие АЦП требуют нескольких компараторов. Входное напряжение одновременно сравнивается во всех компараторах с несколькими опорными напряжениями. Параллельные АЦП имеют большее число элементов, чем последовательные.

Рассмотрим работу параллельного трехразрядного
АЦП (рис. 4.40).

Рис. 4.40. Схема параллельного трехразрядного АЦП

Тремя двоичными разрядами можно представить восемь чисел - от 0 до 7. Поэтому используются семь компараторов для сравнения входного напряжения с опорными напряжениями, получаемыми с помощью резисторного делителя . От каждого компаратора поступает сигнал 0, если входное напряжение меньше опорного, и 1 - в противном случае.

Состояния компараторов и соответствующие им двоичные коды представлены в табл. 4.12. Преобразователь кода выдает двоичное трехразрядное число. Время преобразования параллельных АЦП может составлять несколько десятков наносекунд, что в сотни раз быстрее, чем у последовательных АЦП.

Таблица 4.12

Зависимость цифрового кода от входного напряжения

Относительное значение входного напряжения U = U вх /U оп	Состояние компараторов	Двоичный код-число
U < 0,5
0,5 £ U < 1,5
1,5 £ U < 2 ,5
2,5 £ U < 3,5
3,5 £ U < 4,5
4,5 £ U < 5 ,5
5,5 £ U<6 ,5
6,5 £ U

4.5.3. Аналого-цифровые преобразователи последовательного кодирования

На рис. 4.41 показана схема АЦП последовательного типа.

Рис. 4.41. Схема аналого-цифрового
преобразователя последовательного типа

По команде «Пуск» цифровой автомат ЦА вырабатывает последовательность двоичных чисел, которые поступают на вход цифро-аналогового преобразователя ЦАП, вырабатывающего напряжение U цап, соответствующее каждому входному двоичному сигналу. Это напряжение (непрерывно растущее, пока работает ЦА )подается на один из входов компаратора K , на другой вход которого поступает входное напряжение U вх.Компаратор сравнивает эти два напряжения и выдает сигнал при их равенстве. По этому сигналу ЦА останавливается, а на его выходе фиксируется двоичный код, соответствующий U вх.Таким образом, преобразование в последовательном АЦП происходит в ступенчатом режиме. Выходное значение отдельными шагами (тактами), т.е. последовательно, приближается к измеряемому значению. Поэтому последовательные АЦП на каждое преобразование аналогового сигнала затрачивают много времени. Для повышения их быстродействия используется метод поразрядного уравновешивания. Иллюстрирующая этот метод схема показана на рис. 4.42.

Рис. 4.42. Схема аналого-цифрового преобразователя
с поразрядным уравновешиванием

Роль цифрового автомата выполняет регистр Рг с датчиком тактовых импульсов ДТИ . Считывание выходного кода происходит по сигналу схемы готовности данных СГД ,который подается при поступлении сигнала от компаратора K о равенстве входного напряжения U вх и напряжения U цап. Работа компаратора синхронизирована импульсами ДТИ .Эти же импульсы последовательно переводят разряды регистра Рг в состояние 1. Перевод начинается со старшего разряда, а младшие остаются в состоянии 0. При этом ЦАП вырабатывает соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе K с входным. Если U цап > U вх,то по команде компаратора старший разряд сбрасывается в состояние 0; если U цап < U m ,то в старшем разряде остается 1. Затем в состояние 1 переводится следующий по старшинству разряд Рг и снова производится сравнение напряжений U цап и U вх.Цикл повторяется до тех пор, пока не будет зафиксировано равенство указанных напряжений при переводе в состояние 1 какого-то из младших разрядов. После этого СГД подает сигнал о выдаче выходного кода. Число циклов сравнения в таком АЦП будет равно числу разрядов выходного кода.

4.6. Программируемые логические матрицы и интегральные схемы

В организации ПЗУ и программируемых логических матриц (ПЛМ) много общего. Выявим общий подход в построении этих схем на примере.

Предположим, что необходимо построить устройство, которое обеспечивает выдачу сигнала на выходе Y1 при поступлении на вход кодов 000, 001; на выходе Y2 при кодах 010, 100, 110; на выходе Y3 при кодах 011, 101, 110, 111. Подаваемые на вход устройства коды можно рассматривать как коды адреса одноразрядных ячеек ПЗУ, из которых считываемые единицы через элемент ИЛИ поступают на один из выходов Y i . Рассмотрим взаимосвязь между адресами и данными - функциями
(табл. 4.13).

На рис. 4.43, а представлена схема ПЗУ, состоящая из дешифратора адреса на логических элементах и запоминающих элементов в виде диодно-резистивных схем, в цепи которых включены перемычки. Переменные Х3 , Х2 , X1 рассматриваются как коды адресов различных ячеек памяти. Из табл. 4.13 видно, что в дешифраторе при определенных адресах возбуждаются соответствующие выходные шины, которые должны быть объединены на одном из выходов схемы: Y1 , Y2 , Y3 . Элементы ИЛИ, с помощью которых формируются сигналы Y i , представляют собой неполный шифратор.

Таблица 4.13

Таблица истинности дешифратора

Адрес	Входы	Выходы
	Х3	Х2	XI	Y1	Y2	Y3
А0 A1 А2 A3 А4 А5 А6 А7

На рис. 4.43, б представлена та же схема ПЗУ в виде двух матриц. Матрица А1 представляет собой полный линейный дешифратор на восемь выходов. Каждая вертикальная линия в А1 соответствует элементу И с тремя входами, на каждом из которых реализовано одно из сочетаний входных переменных Х3 , Х2 , X1 . Матрица А2 представляет собой неполный шифратор.

Рис. 4.43. Матрица ПЗУ, как основа ПЛМ

Каждая горизонтальная линия в А2 соответствует восьмивходовому элементу ИЛИ. О формировании необходимых сигналов на каждом из его входов говорит точка в месте пересечения вертикальной линии матрицы А1 и горизонтальной линии матрицы А2 .

Схемы, приведенные на рис. 4.43 могут быть реализованы в виде комбинационной схемы на ПЛМ (рис. 4.44).

Рис. 4.44. Комбинационная схема на ПЛМ

Сравнивая две схемы, выполняющие одни и те же функции (см. рис. 4.43, б и 4.44), видим, что схема, реализованная в виде ПЛМ, проще. Матрица А1 в ПЗУ - это полный, жестко программируемый дешифратор, в матрице ПЛМ - это программируемые под функции минтермы. Затраты на оборудование принято определять площадью полупроводникового кристалла , занимаемого схемой. Таким образом, схемы, выполненные на ПЛМ, обеспечивают большую степень интеграции и тем самым расширяют функциональные возможности микросхемы.

ГЛАВА 5.
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ

5.1. Микропроцессоры в системах автоматизации текстильного производства

Цифровые микросхемы к настоящему времени достигли большого быстродействия при приемлемом токе потребления. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3 - 5 нс. В этих микросхемах потребляемый ток прямо пропорционален скорости переключения логических вентилей в микросхеме.

Ещё одной причиной широкого распространения микропроцессоров стало то, что микропроцессор - это универсальная микросхема, которая может выполнять практически любые функции. Универсальность обеспечивает широкий спрос на эти микросхемы, а значит массовость производства. Стоимость же микросхем обратно пропорциональна массовости их производства, то есть микропроцессоры становятся дешёвыми микросхемами и тем самым ещё больше увеличивают спрос.

В наибольшей степени все вышеперечисленные свойства проявляются в однокристальных микроЭВМ или как их чаще называют по области применения: микроконтроллерах. В микроконтроллерах на одном кристалле объединяются все составные части компьютера: микропроцессор (часто называют ядро микроконтроллера), ОЗУ, ПЗУ, таймеры и порты ввода-вывода.

При переходе к комплексной автоматизации технологий текстильного производства и появлении средств для ее реализации в виде специализированных микропроцессорных подсистем управления (МПСУ) возник вопрос о многосвязанном регулировании ряда параметров . Это потребовало решения вопросов идентификации технологических процессов, их взаимосвязи и управляемости по параметрам, предлагаемым технологами в качестве регламентированных. С помощью МПСУ при комплексной автоматизации текстильных производств могут решаться следующие основные задачи.

1. Информационно-измерительные, обеспечивающие сбор обширной информации; помехозащищенность; необходимую обработку статистических данных, программную коррекцию погрешностей измерений, автоматическую диагностику и само-калибровку системы измерений. При этом программируемая логика работы МПСУ обеспечивает гибкость перенастройки и позволяет наращивать функции системы при модернизации без существенных схемных изменений.

2. Регулирование технологических параметров и режимов работы оборудования, позволяющих поддерживать регламентированные технологами параметры на заданном значении или изменять их для выполнения условий оптимизации в системах многосвязанного регулирования, быстродействия по времени, энергетических и качественных показателей. В любом случае качество регулирования определяется достоверностью измерений и получаемой информации.

3. Управление режимами работы технологического оборудования и средствами робототехники, реализуемыми преимущественно в виде автооператоров или автоманипуляторов, выполняющих операции, например, загрузки и разгрузки кип волокна, сновальных валиков и ткацких навоев, съема и установки бобин на шпулярники и прядильные машины, заправки патронами прядильных мест, присучки лент и узловязание и др.

Координация работы всех средств управления технологическим оборудованием, включая регулирование потоков сигналов во времени и пространстве, их обработку, осуществляется центральным устройством управления. Современные устройства центрального управления являются электронными и подразделяются на универсальные с использованием микроЭВМ и на специализированные с использованием микроконтроллеров, микропроцессоров и логических схем.

Применение принципа программного управления в системах автоматического управления и сбора данных о состоянии систем в сочетании с микропроцессорами существенно увеличило их функциональные возможности, обеспечило большую гибкость, уменьшило стоимость и габариты, повысило надежность, устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды и другие эксплуатационные характеристики.

Микропроцессоры и микроконтроллеры на их основе нашли широкое применение в цифровых измерительных приборах и системах, что упростило ввод и выдачу данных, предупредительных сигналов или команд на дисплей, а также автоматическое масштабирование данных параметров. Микропроцессоры могут обеспечить самопроверку и самокалибровку, проверку согласованности данных, связь с микроЭВМ или приборами, управляемыми ЭВМ, и автоматическое усреднение показаний. Однако микропроцессоры и микроконтроллеры на их основе имеют меньший объем стандартного программного обеспечения, номенклатуру периферийных устройств и возможности интерфейса, чем микроЭВМ.

Микропроцессоры нашли также применение в терминалах, сетях микроЭВМ, модулях коммутации сообщений, ретрансляторах, системах накопления передачи данных, кодирующих и декодирующих устройствах, портативных системах связи, охраны и модемах.

Микропроцессоры используются в системных блоках микро-ЭВМ , контроллерах ввода-вывода и других периферийных устройствах. Микроконтроллеры в периферийных устройствах позволяют выполнять многие задачи на периферии, разгружая центральный процессор для выполнения других задач.

Микропроцессоры, микроконтроллеры и микро-ЭВМ находят применение в текстильном оборудовании: в системах контроля данных, установках контроля качества, автоматических взвешивающих и дозирующих системах, контроля узлов/машин, определения степени скручиваемости, контроллерах, управляющих отдельными операциями, например, натяжением нитей, лент, тканей и т.п., устройствах сортировки, погрузочно-разгрузочных устройствах, терминалах и устройствах автоматической диагностики.

Следует отметить, что при управлении технологическими процессорами текстильной промышленности относительно большое число регулируемых параметров и сложность алгоритмов управления требуют применение мощных микроЭВМ. Микропроцессоры находят применение в распределенных системах, в которых реализуются алгоритмы управления объектами на местах и готовятся данные для микроЭВМ, что повышает надежность систем в условиях производственных помех.

В новейших моделях микропроцессоров операционная система полностью или частично реализуется аппаратными средствами на основе флэш-памяти , что оптимизирует процесс управления промышленными объектами.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) — предназначены для преобразования цифровых сигналов в аналоговые. Такое преобразование необходимо, например, при восстановлении аналогового сигнала, предварительно преобразованного в цифровой для передачи на большое расстояние или хранения (таким сигналом, в частности, может быть звук). Другой пример использования такого преобразования — получение управляющего сигнала при цифровом управлении устройствами, режим работы которых определяется непосредственно аналоговым сигналом (что, в частности, имеет место при управлении двигателями).

{xtypo_quote}К основным параметрам ЦАП относят разрешающую способность, время установления, погрешность нелинейности и др.{/xtypo_quote}

Разрешающая способность — величина, обратная максимальному числу шагов квантования выходного аналогового сигнала. Время установления t уст — интервал времени от подачи кода на вход до момента, когда выход-ной сигнал войдет в заданные пределы, определяемые погрешностью. Погрешность нелинейности — максимальное отклонение графика зависимости выходного напряжения от напряжения, задаваемого цифровым сигналом, по отношению к идеальной прямой во всем диапазоне преобразования.

Как и рассматриваемые , ЦАП являются «связующим звеном» между аналоговой и цифровой электроникой. Существуют различные принципы построения АЦП.

Схема ЦАП с суммированием весовых токов

На рис. 3.88 приведена схема ЦАП с суммированием весовых токов.

Ключ S 5 замкнут только тогда, когда разомкнуты все ключи S 1 …S 4 (при этом u вых = 0). U 0

— опорное напряжение. Каждый резистор во входной цепи соответствует определенному разряду двоичного числа.

По существу этот ЦАП — инвертирующий усилитель на основе операционного усилителя. Анализ такой схемы не представляет затруднений. Так, если замкнут один ключ

S1, то u вых = −U 0 R oc / R

что соответствует в первом и нулям в остальных разрядах.

Из анализа схемы следует, что модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S 1 …S 4 . Токи ключей S 1 …S 4 суммируются в точке «а», причем токи различных ключей различны (имеют разный «вес»). Это и определяет название схемы.

Из вышеизложенного следует, что u вых = − (U 0 R oc / R) · S 1 − (U 0 R oc / (R/2)) · S 2 - − (U 0 R oc / (R/4)) · S 3 − (U 0 R oc / (R/8)) · S 4 = = − (U 0 R oc / R) · (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)

где S i ,i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

Состояние ключей определяется входным преобразуемым кодом. Схема проста, но имеет недостатки: значительные изменения напряжения на ключах и использование резисторов с сильно отличающимися сопротивлениями. Требуемую точность этих сопротивлений обеспечить затруднительно.

ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R

Рассмотрим ЦАП на основе резистивной матрицы R — 2R(матрицы постоянного сопротивления) (рис. 3.89).

В схеме использованы так называемые перекидные ключи S 1 …S 4 , каждый из которых в одном из состояний подключен к общей точке, поэтому напряжения на ключах невелики. Ключ S 5 замкнут только тогда, когда все ключи S 1 …S 4 подключены к общей точке. Во входной цепи использованы резисторы всего с двумя различными значениями сопротивлений.

Из анализа схемы можно увидеть, что и для нее модуль выходного напряжения пропорционален числу, двоичный код которого определяется состоянием ключей S 1 …S 4 . Анализ легко выполнить, учитывая следующее. Пусть каждый из ключей S 1 …S 4 подключен к общей точке. Тогда, как легко заметить, напряжение относительно общей точки в каждой следующей из точек «a»…«d» в 2 раза больше, чем в предыдущей. К примеру, напряжение в точке «b» в 2 раза больше, чем в точке «а» (напряжения U а, U b , U c и U d в указанных точках определяются следующим образом:

Допустим, что состояние указанных ключей изменилось. Тогда напряжения в точках «a»…«d» не изменятся, так как напряжение между входами операционного усилителя практически нулевое.

Из вышеизложенного следует, что:

u вых = − (U 0 R oc / 2R) · S 4 − ((U 0 /2) R oc / 2R) · S 3 - ((U 0 /4) R oc / 2R) · S 2 − ((U 0 /8) R oc / 2R) · S 1 = − (U 0 R oc / 16R) · (8S 4 + 4S 3 + 2S 2 + S 1)

где S i , i = 1, 2, 3, 4 принимает значение 1, если соответствующий ключ замкнут, и 0, если ключ разомкнут.

ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел

Рассмотрим ЦАП для преобразования двоично-десятичных чисел (рис. 3.90).

Для представления каждого разряда десятичного числа используется отдельная матрица R − 2R (обозначены прямоугольниками). Z 0 …Z 3 обозначают числа, определенные состоянием ключей каждой матрицы R − 2R. Принцип действия становится понятным, если учесть, что сопротивление каждой матрицы R, и если выполнить анализ фрагмента схемы, представленного на рис. 3.91. Из анализа следует, что

U 2 = U 1 · [ (R||9R) / (8,1R + R||9R) ]

R||9R = (R · 9R) / (R + 9R) = 0,9R

Следовательно, U 2 = 0,1 U 1 . С учетом этого получим

u вых = − (U 0 R oc / 16R) · 10 −3 (10 3 · Z 3 + 10 2 · Z 2 + 10 · Z 1 + Z 0)

Наиболее распространенными являются ЦАП серий микросхем 572, 594, 1108, 1118 и др. В табл. 3.2 приведены…

Параметры некоторых ЦАП

Применение

ЦАП применяется всегда, когда надо преобразовать сигнал из цифрового представления в аналоговое, например, в проигрывателях компакт-дисков (Audio CD).

Типы ЦАП

Наиболее общие типы электронных ЦАП:

• Широтно-импульсный модулятор - простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром нижних частот . Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, а также становится популярным в Hi-Fi -аудиотехнике;

• ЦАП передискретизации , такие как дельта-сигма -ЦАП, основаны на изменяемой плотности импульсов. Передискретизация позволяет использовать ЦАП с меньшей разрядностью для достижения большей разрядности итогового преобразования; часто дельта-сигма ЦАП строится на основе простейшего однобитного ЦАП, который является практически линейным. На ЦАП малой разрядности поступает импульсный сигнал с модулированной плотностью импульсов (c постоянной длительностью импульса, но с изменяемой скважностью), создаваемый с использованием отрицательной обратной связи . Отрицательная обратная связь выступает в роли фильтра верхних частот для шума квантования .

Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность - до 24 бит. Для генерации сигнала с модулированной плотностью импульсов может быть использован простой дельта-сигма модулятор первого порядка или более высокого порядка как MASH (англ. Multi stage noise SHaping ). С увеличением частоты передискретизации смягчаются требования, предъявляемые к выходному фильтру низких частот и улучшается подавление шума квантования;

• ЦАП взвешивающего типа , в котором каждому биту преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Таким образом, все ненулевые биты кода суммируются с весом. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность из-за необходимости наличия набора множества различных прецизионных источников или резисторов и непостоянного импеданса . По этой причине взвешивающие ЦАП имеют разрядность не более восьми бит;

• ЦАП лестничного типа (цепная R-2R-схема). В R-2R-ЦАП значения создаются в специальной схеме, состоящей из резисторов с сопротивлениями R и 2R , называемой матрицей постоянного импеданса, которая имеет два вида включения: прямое - матрица токов и инверсное - матрица напряжений. Применение одинаковых резисторов позволяет существенно улучшить точность по сравнению с обычным взвешивающим ЦАП, так как сравнительно просто изготовить набор прецизионных элементов с одинаковыми параметрами. ЦАП типа R-2R позволяют отодвинуть ограничения по разрядности. С лазерной подгонкой резисторов на одной подложке достигается точность 20-22 бита. Основное время на преобразование тратится в операционном усилителе, поэтому он должен иметь максимальное быстродействие. Быстродействие ЦАП единицы микросекунд и ниже (то есть наносекунды);

Характеристики

ЦАП находятся в начале аналогового тракта любой системы, поэтому параметры ЦАП во многом определяют параметры всей системы в целом. Далее перечислены наиболее важные характеристики ЦАП.

• Максимальная частота дискретизации - максимальная частота, на которой ЦАП может работать, выдавая на выходе корректный результат. В соответствии с теоремой Найквиста - Шеннона (известной также как теорема Котельникова), для корректного воспроизведения аналогового сигнала из цифровой формы необходимо, чтобы частота дискретизации была не менее, чем удвоенная максимальная частота в спектре сигнала. Например, для воспроизведения всего слышимого человеком звукового диапазона частот, спектр которого простирается до 20 кГц, необходимо, чтобы звуковой сигнал был дискретизован с частотой не менее 40 кГц. Стандарт Audio CD устанавливает частоту дискретизации звукового сигнала 44,1 кГц; для воспроизведения данного сигнала понадобится ЦАП, способный работать на этой частоте. В дешевых компьютерных звуковых картах частота дискретизации составляет 48 кГц. Сигналы, дискретизованные на других частотах, подвергаются передискретизации до 48 кГц, что частично ухудшает качество сигнала.

• Монотонность - свойство ЦАП увеличивать аналоговый выходной сигнал при увеличении входного кода.

• THD+N (суммарные гармонические искажения + шум) - мера искажений и шума вносимых в сигнал ЦАПом. Выражается в процентах мощности гармоник и шума в выходном сигнале. Важный параметр при малосигнальных применениях ЦАП.

• Динамический диапазон - соотношение наибольшего и наименьшего сигналов, которые может воспроизвести ЦАП, выражается в децибелах . Данный параметр связан с разрядностью и шумовым порогом.

• Статические характеристики:
  • DNL (дифференциальная нелинейность) - характеризует, насколько приращение аналогового сигнала, полученное при увеличении кода на 1 младший значащий разряд (МЗР), отличается от правильного значения;
  • INL (интегральная нелинейность) - характеризует, насколько передаточная характеристика ЦАП отличается от идеальной. Идеальная характеристика строго линейна; INL показывает, насколько напряжение на выходе ЦАП при заданном коде отстоит от линейной характеристики; выражается в МЗР;
  • усиление;
  • смещение.

• Частотные характеристики:
  • SNDR (отношение сигнал/шум +искажения) - характеризует в децибелах отношение мощности выходного сигнала к суммарной мощности шума и гармонических искажений;
  • HDi (коэффициент i-й гармоники) - характеризует отношение i-й гармоники к основной гармонике;
  • THD (коэффициент гармонических искажений) - отношение суммарной мощности всех гармоник (кроме первой) к мощности первой гармоники.

См. также

Литература

• Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. - 2-е изд. - М .: Вильямс, 2007. - 912 с. - ISBN 0-13-090996-3
• Mingliang Liu. Demystifying Switched-Capacitor Circuits. ISBN 0-75-067907-7 .
• Phillip E. Allen, Douglas R. Holberg. CMOS Analog Circuit Design. ISBN 0-19-511644-5 .

Ссылки

• Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), теория и принципы работы на сайте Рынок микроэлектроники
• Цифро-аналоговые преобразователи для задач цифровой обработки сигналов
• INL/DNL Measurements for High-Speed ADCs объясняет, как вычисляются INL и DNL
• Алексей Стахов . Компьютер Фибоначчи Ч. 1 , Ч. 2 , Ч. 3 // PCweek.ru, 2002
• R-2R Ladder DAC explained содержит схемы (англ.)

Микроконтроллеры
Архитектура	8-бит MCS-51 MCS-48 PIC AVR Z8 H8 COP8 68HC08 68HC11 16-бит

Министерство образования и науки Украины

Одесская национальная морская академия

Кафедра морской электроники

по дисциплине «Системы сбора и обработки телеметрической информации»

«Цифро-аналоговые преобразователи»

Выполнил:

к-т ФЭМ и РЭ

группы 3131

Струков С.М.

Проверил: ст. преподаватель

Куделькин И.Н.

Одесса – 2007

1. Введение

2. Общие сведения

3. Последовательные ЦАП

4. Параллельные ЦАП

5. Применение ЦАП

6. Параметры ЦАП

7. Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).

Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Общие сведения

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, определенного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные значению цифрового кода. Схемотехника цифро-аналоговых преобразователей весьма разнообразна. На рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

o По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.

o По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.

o По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.

o По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рис. 1. Классификация ЦАП

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ЦАП

ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Очень часто ЦАП входит в состав микропроцессорных систем. В этом случае, если не требуется высокое быстродействие, цифро-аналоговое преобразование может быть очень просто осуществлено с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис. 1а.

Рис. 1. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S . В зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых g =t и /Т определяется соотношением

где N - разрядность преобразования, а D - преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя

Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток - низкое быстродействие.

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Рассмотренная выше схема ЦАП с ШИМ вначале преобразует цифровой код во временной интервал, который формируется с помощью двоичного счетчика квант за квантом, поэтому для получения N -разрядного преобразования необходимы 2 N временных квантов (тактов). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

В этой схеме емкости конденсаторов С 1 и С 2 равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С 2 разряжается ключом S 4 . Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда d 0 . Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С 1 заряжается до опорного напряжения U оп при d 0 =1 посредством замыкания ключа S 1 или разряжается до нуля при d 0 =0 путем замыкания ключа S 2 . Во втором полутакте при разомкнутых ключах S 1 , S 2 и S 4 замыкается ключ S 3 , что вызывает деление заряда пополам между С 1 и С 2 . В результате получаем

U 1 (0)=U вых (0)=(d 0 /2)U оп

Пока на конденсаторе С 2 сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С 1 должна быть повторена для следующего разряда d 1 входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет

Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В результате для N -разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно

Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании токов, сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2 3 =8, у третьего разряда - 2 2 =4, у второго - 2 1 =2 и у младшего (МЗР) - 2 0 =1. Если вес МЗР I МЗР =1 мА, то I СЗР =8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I вых.макс =15 мА и соответствует коду 1111 2 . Понятно, что коду 1001 2 , например, будет соответствовать I вых =9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.

Сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного слова равен единице. Выходной ток определяется соотношением

При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс токов в них не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому разброс сопротивления в k-м разряде должен быть меньше, чем

Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде - 0,05% и т.д.

Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) – устройство, выполняющее преобразование входного цифрового сигнала (кода) в аналоговый.

ЦАП широко используется там, где необходимо с помощью цифровой информации, выдаваемой ЭВМ, управлять аналоговыми устройствами, например, осуществлять перемещения клапана, пропорциональные рассчитанному значению цифрового сигнала. ЦАП используются для согласования ЭВМ (ЦУ) с аналоговыми устройствами, в качестве внутренних узлов АЦП и цифровых измерительных приборов. В составе аналого-цифровых преобразователей ЦАП служит для формирования аналогового сигнала (тока или напряжения), с которым сравнивается преобразуемый сигнал.

Основной характеристикой ЦАП является разрешающая способность, определяемая числом разрядов n . Теоретически ЦАП, преобразующий n -разрядные двоичные коды, должен обеспечить 2n различных значений выходного сигнала с разрешающей способностью (2n – 1)-1. Абсолютное значение минимального выходного кванта напряжения определяется как предельным принимаемым числом 2n – 1, так и максимальным выходным напряжением ЦАП, называемым напряжением шкалы U шк. Так, при 12 разрядах число независимых квантов (ступенек) выходного напряжения ЦАП составляет 212 – 1 = 0,0245%. Выбранное с помощью опорного источника напряжение шкалы U шк = 10B, разделенное на это число квантов, дает абсолютную разрешающую способность ЦАП

Dx = U шк/(2n – 1) = 103 мB/ (212 – 1) = 2,45 мВ.

Характеристика преобразования (ХП) ЦАП – совокупность значений выходной аналоговой величины хi в зависимости от входного кода бi .

Характеристика преобразования (или передаточная характеристика) ЦАП изображена на рис. 3.15.

Рис. 3.15. Передаточная характеристика ЦАП; A – линейность; B – нелинейность; C – немонотонность; D – выходной сигнал; E – прямая, соединяющая идеальные значения уровней выходного сигнала; dпш – погрешность полной шкалы

Отличие реального значения разрешающей способности от теоретического обусловлено погрешностями узлов и шумами ЦАП. Точность ЦАП определяется значениями абсолютной погрешности прибора, нелинейностью и дифференциальной нелинейностью.

Абсолютная погрешность dшк представляет отклонение значения выходного напряжения (тока) от номинального расчетного, соответствующего конечной точке характеристики преобразования (см. рис. 3.15). Абсолютная погрешность обычно измеряется в единицах младшего значащего разряда (МЗР).

Нелинейность dл характеризует идентичность минимальных приращений выходного сигнала во всем диапазоне преобразования и определяется как наибольшее отклонение выходного сигнала от прямой линии абсолютной точности, проведенной через ноль и точку максимального значения выходного сигнала. Значение нелинейности не должно превышать ±0,5 единицы МЗР.

Дифференциальная нелинейность dл.диф характеризует идентичность соседних приращений сигнала. Ее определяют как минимальную разность погрешности нелинейности двух соседних квантов в выходном сигнале. Значение дифференциальной нелинейности не должно превышать удвоенное значение погрешности нелинейности. Если значение dл.диф больше единицы МЗР, то преобразователь считается немонотонным, т.е. на его выходе выходной сигнал не может наращиваться равномерно при равномерном возрастании входного кода.

Немонотонность в некоторых квантах дает уменьшение выходного сигнала при нарастании входного кода.

Аппаратурная погрешность, определяемая нестабильностью источника опорного напряжения, погрешностью ключей, резистивных матриц и выходных операционных усилителей, называется инструментальной погрешностью. Основными факторами, вызывающими возникновение погрешностей элементов, являются: технологический разброс параметров; влияние изменений окружающей среды (в основном температуры); изменение параметров во времени (старение); воздействия внешних и внутренних шумов и помех.

Все инструментальные погрешности проявляются, в основном, в следующих видах:

а) смещения нуля, характеризующего параллельный сдвиг передаточной характеристики ЦАП от усредненной прямой (вызывается напряжением смещения нуля и ненулевым входным током ОУ, а также остаточными параметрами ключей);

б) изменения коэффициента передачи, характеризующего отклонения крутизны реальной передаточной характеристики от усредненной прямой;

в) отклонения передаточной характеристики преобразователя от идеальной прямой (такая нелинейность преобразования проявляется как неидентичность приращений выходного сигнала в функции от входного кода).

К динамическим характеристикам ЦАП относятся временные параметры и максимальная частота преобразования.

Временные параметры определяют быстродействие преобразователей. Различают три временных параметра: шаг (период) квантования Dt , время преобразования (время установления выходного сигнала) t пр, длительность цикла преобразования t ц.

Шаг (период) квантования Dt – интервал времени между двумя последовательными преобразованиями. Значение, обратное периоду квантования 1/Dt = f кв, называется частотой квантования.

Время установки выходного сигнала ЦАП t пр – время от момента изменения кода на входах ЦАП до момента, когда значение выходной аналоговой величины отличается от установившегося на заданную величину (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Определение времени t пр преобразования ЦАП

Длительность цикла преобразования t ц – время между моментом подачи входного кода и выдачей выходного аналогового сигнала (t ц = t пр). Определяется, в основном, циклограммами и временными диаграммами, описывающими работу информационно-вычислительных устройств и систем с имеющимися преобразователями.

Максимальная частота преобразования – наибольшая частота дискретизации, при которой параметры ЦАП соответствуют заданным значениям.

Работа ЦАП часто сопровождается специфическими переходными импульсами, которые представляют собой острые пики большой амплитуды в выходном сигнале, возникающие из-за разности времен открывания и закрывания аналоговых ключей в ЦАП. Особенно выбросы проявляются, когда вместо нуля в старшем значащем разряде и единиц в младших разрядах кода поступает единица в старший значащий разряд (СЗР) и код «все нули» в МЗР. Например, если входной код 011...111 сменяется кодом 10...000, а ключ старшего ЦАП открывается позже, чем закрываются ключи младших, то приращение выходного сигнала всего на один квант может сопровождаться импульсом с амплитудой 0,5U шк. Длительность этого пика будет соответствовать запаздыванию смены состояния ключей.

В настоящее время, в зависимости от значений параметров, выделяют прецизионные и быстро-действующие ЦАП. Прецизионные ЦАП имеют dл = 0,1%, а быстродействующие t уст = 100нс.