Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

При использовании логических и цифровых устройств в системах авто­матизированного управления возникает проблема связи их с различными элек­тронными преобразователями входных сигналов и исполнительными механиз­мами, у которых в большинстве случаев информация представлена в аналого­вой форме в виде различных уровней напряжения и тока. В этом случае для преобразования цифрового сигнала в аналоговый ис­пользуют так называемый цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а для обратного преобразования – аналого-цифровой преобразователь (АЦП). ЦАП и АЦП выполняют в виде больших интегральных схем. Конструктивно ЦАП состоит из операционного усилителя (рис. 16.4 а), на вход которого с помощью электронных ключей (например, ключи на МОП-транзисторах), управляемых двоичным кодом, подключается матрица резисто­ров.

Рис. 16.4

Коэффициент передачи определяется по отношению . По входам 0, 1, 2, 3 ко­эффициенты передачи будут соответственно

, (16.1)

где – – числа, принимающие значения 0 или 1 в зависимости от положе­ния соответствующего ключа. Выходное напряжение ЦАП определяется по формуле

. (16.2)

Таким образом, двоичный код на входе ЦАП преобразуется на выходе в уровень напряжения .

Недостатками этой схемы ЦАП являются необходимость жестких требований к точности и стабильности сопротивлений матрицы, особенно старших разрядов, а также к качеству опорного напряжения источника питания при различных нагрузках. Условное обозначение ЦАП показано на рис. 16.4 б.

Аналого-цифровой преобразователь состоит из цифрового автомата (ЦА) (рис. 16.5), который по сигналу, поступающему на его вход, вырабатывает после­довательность соответствующих чисел в двоичном коде. Этот код подается на вход ЦАП, где формируется выходное напряжение , определяемое входными числами. Напряжение подается на вход компаратора, где сравнивается с входным напряжением Если напряжения и равны, то компаратор выдает сигнал, останавливающий работу цифрового автомата, и на его выходе в запоминающих буферных устройствах фиксируется соответствующий двоичный код.

Цифровой автомат представляет собой двоичный регистр (РГ), основное на­значение которого – запись и хранение информации в двоичном коде. Основными элементами регистра являются триггеры. Их число определяется числом двоич­ных разрядов, на которое рассчитан регистр. Регистр суммирует импульсы от тактового генератора (ТГ). В выходном буферном устройстве (БУ) хранятся числа в двоичном коде, поступающие от регистра. Вся схема питается от источника стабилизированного напряжения (ИсН).

Импульсы, поступающие от тактового генератора на вход регистра, перево­дят его разряды в код 1, начиная со старшего разряда. Если старший разряд имеет код 1, ЦАП выдает на выходе соответствующее напряжение, которое сравнива­ется в компараторе с входным напряжением. Если и больше , то старший регистр получает код 0, в противном случае остается 1. Далее код 1 по­является в следующем разряде и цикл повторяется до младшего разряда регистра. После этого АЦП готов к выдаче кода из регистра.

Основными характеристиками ЦАП и АЦП являются быстродействие, погрешность и динамический диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного для ЦАП.

ЦАП и АЦП являются основным связующим звеном между ЭВМ и раз­личными периферийными устройствами автоматизированных систем управле­ния технологическими процессами.