Сравнительный обзор цифровых и аналоговых систем

СХЕМА 5.cdw

СХЕМА 0.cdw

СХЕМА 7.cdw

Рис 12. Работа четырёхбитовог
Величина шага квантования
ЦАП равна 1В; Vа = 10

СХЕМА 6.cdw

ЗАВЕРШЕНО И РЕЗУЛЬТАТ
НАХОДИТЬСЯ В РЕГИСТРЕ
Рис. 11 Блок-схема работы АЦП

Селуянов.doc

СОПРЯЖЕНИЕ С АНАЛОГОВЫМ МИРОМ
1. Сравнительный обзор цифровых и аналоговых систем
Цифровая величина принимает значение которое является одним из двух возможных например 0 или 1 низкий или высокий уровень напряжения ложь или истина и т.п. В действительности цифровые величины (к примеру уровень напряженния) могут принимать любые значения из некоего диапазона. Например для устройств на ТТЛ известно что
напряжение от 0 В до 08 В = логическому 0;
напряжение от 2 В до 5 В = логической 1.
Любое значение напряжения попадающее в диапазон от 0 до 08 В будет расцениваться как логический 0 а любое значение напряжения попадающее в интервал от 2 до 5 В будет расцениваться как логическая 1. Точные значения не существенны потому что цифровые схемы одинаково реагируют на все напряжения находящиеся в одном и том же диапазоне значений.
Аналоговая величина наоборот может принимать любое значение в непрерывном диапазоне величин и что самое важное интерес представляет именно ее точное значение. Например пусть с выхода аналогового термометра было снято напряжена 276 В которое соответствует скажем температуре 276°С. Если бы было зафиксировано другое значение напряжения например 234 В или 378 В то оно бы представляло собой совершенно другую температуру. Иначе говоря каждое возможное значение аналоговой величины представляет отдельный интерес. Можно привести ещё один пример: выходной сигнал звукового усилителя подается в акустическую систему. Подаваемое напряжение — аналоговая величина потому что каждое возмоное значение напряжения формирует новый звук в акустической системе.
Большинство физических переменных по своей природе являются аналоговыми и могут принимать любое значение из определенного диапазона. В качестве примеров можно назвать температуру давление интенсивность света звуковые сигналы скорость вращения или течения. Цифровые системы осуществляют все операции над такими величинами исключительно в цифровой форме используя для этого элементы цифровой схемотехники. Любую информацию которая должна быть введена в цифровую систему необходимо сначала преобразовать в цифровую форму. Выходные же сигналы цифровой системы выражены в цифровом виде изначально. Когда цифровая система такая как компьютер должна использоваться для мониторинга иили контроля за выполнением
физического процесса то приходится сталкиваться с различием между цифровой природой компьютера и аналоговой природой переменных данного процесса. Эта мысль наглядно проиллюстрирована на рис.1. Приведенная блок-схема имеет пять элементов составляющих систему мониторинга и контроля физических переменных с помощью компьютера.
Преобразователь. Преобразователем называется устройство которое преобразует физические переменные в электрические. Можно назвать сразу несколько наиболее распространенных преобразователей: терморезисторы фотоприемники фотодиоды измерители потока и датчики давления тахометры. Электрический выходной сигнал преобразователя представляет собой ток или напряжение в аналоговой форме. Значения тока пропорциональны физической величине за которой нужно следить. Пусть например физическая величина представляет собой температуру воды в большой емкости которая наполняется одновременно горячей и холодной водой. И пусть температура воды колеблется от 80 до 150 °Ф. Терморезистор и соответствующая схема преобразуют измеренное значение температуры воды в напряжение величина которого варьируется от 800 до 1500мВ. На выходе преобразователя наблюдается сигнал прямо пропорциональный температуре т.е. изменение температуры на 1°Ф приводит к изменению выходного напряжения на 10 мВ. Такой коэффициент пропорциональности был выбран исключительно с целью удобства.
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП). АЦП предназначен для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Аналоговый электрический сигнал с выхода преобразователя служит входным сигналом для АЦП. Цифровой сигнал на выходе этого устройства состоит из определенного количества бит которые соответствуют величине аналогового сигнала. Например АЦП можно использовать
для преобразования аналоговых уровней напряжения (от 800 до 1500 мВ) в двоичные значения от 01010000 (80) до 10010110 (150). При этом двоичный выходной сигнал АЦП пропорционален аналоговому напряжению и каждая единица цифрового сигнала соответствует 10 мВ.
Компьютер. Цифровой сигнал величина которого соответствует состоянию физической переменной передается из АЦП на компьютер сохраняющий цифровое значение величины и обрабатывающий двоичный код в соответствии с заложенной в него программой. Программа может производить какие-то расчеты или операции над поступившим сигналом в результате чего компьютер сформирует выходной сигнал который можно использовать для контроля температуры.
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Цифровой сигнал с выхода компьтера подается на ЦАП который преобразует его в пропорциональное аналоговое напряжение или ток. Например компьютер выдал цифровой сигнал значения которого колебались от 00000000 до 11111111. ЦАП преобразует этот сигнал в напряжение величина которого будет колебаться от 0 В до 10 В.
Исполнительный механизм. Аналоговый сигнал с выхода ЦАП обычно поступает на какое-либо устройство или схему которая служит исполнительным механизмом и управляет физической переменной. В примере с температурой воды исполнительный механизм может контролировать кран регулирующий поток горячей воды согласно уровню аналогового напряжения от ЦАП. Скорость потока воды будет варьироваться в зависимости от величины аналогового напряжения; при О В вода вообще не будет поступать в емкость а при 10 В скорость заполнении будет максимальной.
Таким образом функция АЦП и ЦАП состоит в сопряжении полностью цифровых систем (например компьютеров) с аналоговыми системами в окружающем мире. С недавних пор эта функция стала еще более важной поскольку микрокомпьютеры вошли в такие области контроля за процессами где ранее их использование казалось просто невозможным.На рис 1. приведена блок схема АЦП и ЦАП.
2. Цифроаналоговое преобразование
Суть цифроаналогового преобразование состоит в том что устройство (ЦАП) преобразует цифровой код (который представляет собой ту или иную величину и выражается непосредственно в двоичном или в двоично-десятичном кодах) в напряжение или ток значения которых пропорциональны цифровому сигналу. На рис.2а показан символ обозначающий обычный четырехбитовый ЦАП. Внутреннее устройство того преобразователя рассмотрим позже а пока рассмотрим различные случаяи соотношений входного и выходного сигналов.
Рис 2. Четырехбитовый ЦАП и значения напряжения выходного сигнала
Следует обратить внимание на вход опорного напряжения Vоп. Этот вход используется для того чтобы задать величину полномасштабного или максимального значения напряжения которое может быть сформировано на выходе ЦАП. Цифровые сигналы DBC и A обычно поступают на преобразователь с выходов регистра или другой цифровой системы. Эти четыре бита могут представлять 24 = 16 различных двоичных чисел как показано на рис.2б. Каждому представленному таким образом числу на выходе ЦАП соответствует свое уникальное значение напряжения. Фактически аналоговый выходной сигнал V вых может быть равен стольким вольтам сколько бит поступило на вход преобразователя. Однако этот сигнал может и вдвое превышать двоичное число на входе или еще как-то соотноситься с ним; все зависит от выбранного масштаба. Та же идея справедлива и в случае если ЦАП формирует сигнал в виде уровней тока а не напряжения.
аналоговый сигнал = К цифровой сигнал
где К — коэффициент пропорциональности постоянная величина для заданного ЦАП подключенного к фиксированному источнику опорного напряжения.
Информация аналогового выходного сигнала может быть представлена как уже известно или током или напряжением. Если это напряжение то коэффициент К будет иметь размерность вольт а в случае с током — измеряться в амперах. Для ЦАП показанного на рис.2. К = 1 В следовательно
Vвых = (1 В) цифровой сигнал.
Можно использовать это значение коэффициента чтобы подсчитать значение для любых значений цифрового сигнала. Например если на вход поступила кодовая комбинация 11002 = 1210 то
Vвых = (1 В) 12 = 12 В.
Весовые коэффициенты входных битов
Следует отметить что для ЦАП показанного на рис.2 каждый цифровой вход вносит свой вклад в формирование выходного аналогового сигнала. Это легко заметить если внимательно изучить ситуации когда активным является только один вход устройства (см. табл.1). Сигналам на каждом из входов присваиваются соответствующие весовые коэффициенты или веса которые определяются позицией данного бита в двоичном числе поданном на ЦАП. Таким образом вход А который представляет собой младший значащий бит имеет вес равный 1 В; вход В имеет вес равный 2 В; вход С- 4 В; а вход D который представляет собой старший значащий бит имеет наибольший вес равный 8 В. Эти веса последовательно увеличиваются вдвое для каждого нового бита начиная с младшего. Итак можно сделать следующий вывод: напряжение Vвых представляет собой сумму весов входных битов. Например чтобы найти значение Vвых для входного кода 0111 нужно сложить веса единичных битов С В и А которые в сумме дадут 4В+2В+1В=7В.
Разрешающая способность
(величина шага квантования)
Разрешающей способностью цифроаналогового преобразователя называется наименьшее изменение аналогового сигнала на выходе в ответ на изменение цифрового сигнала на входе. Еще раз взглянув на таблицу 1 можно увидеть что для приведенного ЦАП разрядность составила 1 В так как при изменении входного сигнала напряжение Vвых может изменяться менее чем на 1 В. Разрядность ЦАП всегда равна весу младшего значащего бита. Часто этот параметр еще называют величиной шага квантования так как он представляет собой наименьшую величину выходного напряжения (или тока) на которую изменится выходной сигнал устройства при изменении входного значения на один шаг. Это очень хорошо проиллюстрировано на рис.3 где изображен ЦАП на входы которого поступают сигналы с выходов четырехбитового двоичного счетчика. Счетчик непрерывно изменяет свои состояния (всего их 16) в моменты поступления импульсов синхронизации а сигнал на выходе ЦАП представляет собой ступенчатую функцию которая с каждым шагом возрастает на 1 В. Когда счетчик достигнет состояния 1111 на выходе ЦАП будет наблюдаться максимальный сигнал равный 15 В; этот случай соответствует полномасштабному выходному сигналу. Когда счетчик сбросится в 0000 выход ЦАП также вернется в 0 В. Разрешающая способность или величина шага квантования представляет собой высоту одной ступени функции (рис.3); в данном случае каждый шаг равен 1 В. Ступенчатый сигнал на выходе ЦАП имеет 16 уровней которые соответствуют 16 возможным состояниям входного сигнала; однако между нулевым и полномасштабным уровнями есть только 15 ступеней. В общем случае для N-битового ЦАП количество различных уровней будет равно 2N а количество шагов будет равно 2N - 1.
Таким образом разрешающая способность (или величина шага) представляет собой тот же параметр что и коэффициент пропорциональности между входным и выходным сигналами преобразователя:
аналоговый сигнал = К цифровой сигнал.
Новая интерпретация этого выражения заключается в том что входной цифровой сигнал равен количеству шагов где К — напряжение или ток каждого шага; аналоговый сигнал будет произведением этих двух параметров:
разрешающая способность = К =
где А п.с. — величина полномасшатбного аналогового сигнала а п — количество бит
Процентная разрешающая способность
Хотя разрешающая способность может быть выражена в виде величины напряжения или тока приходящейся на каждую ступень выходного сигнала часто более удобно выражать ее в процентах относительно полномасштабной величины напряжения. Рассмотрим ЦАП показанный на рис. 3. Он имеет полномасштабный выходной сигнал величина которого составляет 15В (в случае подачи на вход цифрого кода 1111). Величина шага квантования равна 1В. Процентная разрешающая способность запишется следующим образом:
процентная разрешающая способность =
Двоично-десятичный входной код
Помимо цифроаналоговых преобразователей управляемых только двоичным кодом существуют ЦАП которые используют двоично-десятичный входной код т.е. для представления каждого десятичного разряда используется кодовая группа состоящая из 4 бит. На рис.4. показана примерная схема восьмибитового (двухразрядногоного) преобразователя данного типа. Каждая четырехбитовая кодовая группа может принимать значение от 0000 до 1001 что эквивалентно десятичным числам от 00 до 99 записанным в двоично-десятичном коде. В пределах каждой кодовой группы веса различных битов изменяются в нормальной двоичной прогрессии (1 2 4 8) зато веса самих кодовых групп отличаются множителем 10 (т.е. одна представляется десятичными десятками а другая – единицы). На рис.4. показаны относительные веса различных битов. Веса битов которые представляют собой запись СЗБ (десятков) в 10 раз больший чем вес группы битов соответствующей единицам.
Рис. 4. ЦАП использующий двоично-десятичный код.
3. Строение цифроаналогового преобразователя
Существует несколько методов и следовательно видов схем по преобразованию цифровых сигналов в аналоговые.
На рис.5 показана полная схема четырехбитового ЦАП с прецизионным источником опорного напряжения. На входы А В С и В подаются двоичные коды а напряжения на этих входах могут изменяться от 0 до 5 В. В качестве суммирующего усилителя применяется операцонный усилитель на выходе которого формируется взвешенная сумма входных напряжений. Суммирующий усилитель умножает уровни напряжения на каждом входе на отношение сопротивления резистора обратной связи Rо.с. к сопротивлениям соответствующих резисторов Rвх подключенных к этим входам. В данной схеме Rо.с. = 1 кОм а значения сопротивлений входных резисторов составляют от 1 до 8 кОм. Резистор на входе В имеет сопротивление номиналом Rвх = 1 кОм поэтому напряжение с этого входа проходит через суммирующий усилитель. без ослабления. Ко входу С подключено сопротивление Rвх = 2 кОм поэтому напряжение поданное на этот вход будет ослаблено в 2 раза. Аналогично напряжение на входе В будет ослаблено с коэффициентом 12 а на входе А — с коэффициентом 14. Сигнал с выхода усилителя можно выразить следующим уравнением:
Vвых = - (VD + 12VC + 14VD + 18VA) (1)
Знак "—" в правой части выражения показывает что суммирующий усилитель инвертирует выходной сигнал.
Сигнал с выхода суммирующего усилителя представляет собой аналоговое напряжение которое можно выразить в виде взвешенной суммы битов цифрового кода как показано в таблице 2. В таблице 2. указаны все возможные входные состояния и соответствующие им значения выходных напряжений. Для любого состояния входов суммарный сигнал на выходе можно легко рассчитать зная какой уровень был подан на каждый вход (0 или 5 В). Например если на вход был подан цифровой сигнал 1010 то VD = VB = 5 В и VC = VA = 0В. Таким образом используя уравнение 1 можно записать:
Vвых = - (5В + 0В + 145В + 0В) = -625В.
Разрядность данного цифроаналогового преобразователя равняется весу МЗБ и составляет 18 5В = 625В. Как видно из таблицы напряжение аналогового сигнала увеличивается на 0625В с каждым изменением входного двоичного кода на единицу.
Значение входных сопротивлений имеют двоичное соотношение весов т.е. начиная с резистора соответствующего входу СЗБ значение сопротивления каждого последующего резистора увеличивается вдвое. Благодаря такому изменению номиналов на выходе получаем выходной сигнал требуемой величины.
Точность преобразования
В таблице 2 даны идеальные значения напряжения Vвых для входных кодовых комбинаций. То насколько они соответствуют реальным значениям в первую очередь зависит от двух основных факторов: а) точности изготовления входных резисторов и резистора обратной связи и б) точности подаваемых на вход ЦАП уровней напряжения. В настоящее время с помощью подгонки (например лазерным лучом) стало возможным очень точное изготовление резисторов (вплоть до точности 001% от указанного номинала) но необходимо придумать и другие методы для борьбы с погрешностями напряжений. Цифровые коды не могут подаваться непосредственно с выходов триггеров или логических элементов потому что выходные уровни напряжения таких устройств не отвечают требованиям точности и не равняются конкретно 0 или 5 В а лишь лежат в определенном диапазоне значений. По этой причине между входами и входными резисторами необходимо вводить дополнительные схемные элементы. Например сигнал поступающий на каждый цифровой вход управляет полупроводниковым ключом например передаточным логическим элементом на КМОП. Когда на вход подается сигнал с высоким уровнем напряжения ключ замыкается и подключает ко входному резистору прецизионный источник опорного напряжение когда подается сигнал с низким уровнем то ключ разомкнут. Прецизионный источник опорного напряжения формирует очень стабильное прецизионное напряжение. необходимое для формирования точных уровней аналоговых сигналов.
4. Характеристики цифроаналоговых преобразователей
В настоящее время широкий спектр цифроаналоговых преобразователей доступен на основе интегральных схем или герметизированных микросхем. Чтобы уметь правильно пользоваться ими в конкретных приложениях следует ознакомиться с наиболее важными характеристиками таких ЦАП.
Разрешающая способность Процентная разрядность ЦАП зависит исключительно от числа бит поэтому фирмы-производители обычно указывают разрядность ЦАП как количество бит. 10-битовый ЦАП имеет более высокую разрешающую способность чем 8-битовый преобразователь.
Точность Производители ЦАП указывают на точность устройств несколькими различными способами. Наиболее распространенные указания — это погрешности максимального показания (т.е. полномасштабного сигнала) и погрешности вследствие нелинейности выходного сигнала. Обычно обе погрешности выражаются как процентное отношение к величине полномасштабного сигнала (% п.с.).
Погрешность максимального показания выражает наибольшее отклонение сигнала на выходе ЦАП от ожидаемой (идеальной) характеристики. Например пусть ЦАП. изображенный на рис. 5 имеет точность равную 001% п.с. Поскольку полномасштабный выходной сигнал данного преобразователя имеет величину равную 9375 В то процент можно выразить так:
± 001% х 9375 В = ± 09375 мВ.
Это значит что выходной сигнал такого цифроаналогового преобразователя в любой момент времени может отклоняться от ожидаемого значения на 09375 мВ.
Погрешность вследствие нелинейности представляет собой максимальное отклонение величины шага от идеального значения этой величины. Пусть например. ЦАП показанный на рис.5 имеет ожидаемую величину шага 0625 В. Если погрешность вследствие нелинейности данного преобразователя составляет ± 001% п. с то это будет означать что реальная величина шага квантования может быть больше или меньше на 09375 мВ.
Важно понять что точность и разрядность ЦАП должны иметь общий порядок. Было бы нелогично иметь разрядность скажем 1% и точность 01% и наоборот.
Погрешность смещения нуля В идеале когда на двоичные входы цифроаналогового преобразователя подаются одни нули то на выходе должен установиться сигнал с напряжением 0 В. Однако на практике даже в этом случае наблюдается хоть и незначительный но ненулевой выходной сигнал; это называется погрешностью смещения нуля. Если не скомпенсировать эту погрешность то ее величина будет складываться с величиной выходного сигнала для всех входных кодов. Многие ЦАП имеют внешние схемы подстройки напряжения смещения которые позволяют компенсировать погрешность обычно подавая на все входы преобразователя нули и выставляя на выходе нулевое значение. Для этого с помощью регулировки потенциометра подстройки смещения добиваются того чтобы сигнал на вы-ходе был как можно ближе к 0 В.
Время установления сигнала Скорость работы ЦАП обычно определяется временем установления сигнала. Этот параметр показывает сколько времени необходимо чтобы сигнал с выхода ЦАП мог измениться от нуля до полномасштабного значения в ответ на изменение входных кодов от всех 0 до всех 1. На практике время установления измеряют как время которое понадобится данному цифроаналоговому преобразователю чтобы выходной сигнал установился в пределах ±12 величины шага (разрешающей способности) от конечного значения. Например если ЦАП имеет разрядность 10 мВ то время установления равно времени которое потребуется для того чтобы величина выходного сигнала изменилась на 5 мВ относительно величины полномасштабного сигнала.
Типичные значения времени установления для разных ЦАП могут составлять от 50 нс до 10 мкс. Преобразователи с токовым выходом обычно имеют более короткие времена установления чем с выходами по напряжению.
Монотонность ЦАП называется монотонным если его выходной сигнал возрастает при увеличении двоичного числа поданного на его входы. Такую работу цифроаналогового преобразователя можно представить в виде ступенчатой функции не имеющей спусков вниз; при этом по оси абсцисс размещаются кодовые комбинации которые возрастают от нуля до полномасштабного напряжения слева направо.
5. Цифроаналоговые преобразователи на интегральных схемах
Интегральная схема АD7524 выполненная по КМОП-технологии доступна сразу от нескольких фирм-производителей и представляет собой 8-битовый цифроаналоговый преобразователь с резистивной цепью типа R2R. Символ которым обозначается данный ЦАП показан на рис. 6. Устройство имеет 8-битовый вход который может фиксировать полученный входной сигнал под управлением сигнала выбора микросхемы и сигнала записи . Если на обоих соответствующих входах наблюдаются низкие уровни напряжения то поступивший на цифровой вход код DT - Do сформирует на выходе OUT1 аналоговый токовый сигнал (выход OUT2 обычно заземлен). Если же хоть на одном из указанных выше управляющих входов установится высокий уровень сигнала то входные данные будут зафиксированы так как аналоговый сигнал на выходе ЦАП останется на уровне который будет соответствовать зафиксированным входным данным. В таком состоянии последовательное изменение входных битов не будет оказывать никакого влияния на сигнал OUT 1
Максимальное время установления для ИС АD7524 обычно составляет около 100 нс а точность при формировании полномасштабного сигнала оценивается в 02% п.с. Величина опорного напряжения Uоп может быть как положительной так и отрицательной и по абсолютной величине принимать значения от 0 до 25 В. Соответственно и аналоговый сигнал на выходе также может иметь любую полярность. Выходной ток можно преобразовать в напряжение с помощью операционного усилителя как показано на рис 6.
Применение цифроаналоговых преобразователей
ЦАП часто используются там где сигнал с выхода цифровой схемы должен быть преобразован в аналоговое напряжение или ток которые управляют работой какого-либо аналогового устройства.
Цифровой выходной сигнал вырабатываемый на выходе компьютера может быть преобразован в аналоговый сигнал который будет управлять например скоростью мотора температурой нагревателя или контролировать какую-то другую физическую переменную.
Автоматический контроль
Компьютеры могут быть запрограммированы для управления аналоговыми сигналами (посредством ЦАП) которые подаются на аналоговые схемы для их контроля. Сигнал который снимается с выхода испытываемой схемы в ответ на входное воздействие может быть легко оцифрован с помощью АЦП и подан на компьютер где происходит его обработка анализ и отображение.
Восстановление сигнала
Во многих практических приложениях требуется оцифровать аналоговый сигнал т.е. преобразовать последовательно взятые значения (отсчеты) в цифровые эквиваленты и сохранить их в памяти. Такое преобразование осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Затем можно использовать ЦАП для обратного перекодирования оцифрованных данных в аналоговую форму и таким образом восстановить исходный сигнал. Комбинация оцифровки и восстановления сигнала используется в цифровых запоминающих осциллографах аудиосистемах воспроизведения компакт-дисков а также при цифровой аудио- и видеозаписи.
Некоторые типы АЦП используют встроенные ЦАП в качестве составной части.
ЦАП с последовательной передачей данных
Многие из областей практического применения цифроаналоговых преобразователей включают использование микропроцессоров. Основная проблема которая касается ЦАП с параллельной передачей данных состоит в том что эти устройства занимают слишком много портов микропроцессора. В случае если скорость передачи данных не имеет существенного значения на выходе микропроцессора может быть сформирован цифровой сигнал который можно подать на ЦАП в последовательном виде. Последовательные ЦАП широко доступны и часто имеют встроенный регистр сдвига данных; в результате данные поступают на ЦАП в последовательной форме а снимаются в параллельной. Иногда подобные микросхемы имеют сразу несколько ЦАП на борту. Цифровые данные и код который показывает какому из ЦАП адресованы эти данные поступают на входы ИС в последовательной форме т.е. по одному биту за единицу времени. Как только очередной бит появляется на входе цифроаналогового преобразователя на вход синхронизации подается импульс который сдвигает бит и тем самым начинает его обработку. После обработки определенного числа импульсов синхронизации значение данных фиксируется и преобразовывается в аналоговую величину.
6. Поиск неисправностей в цифроаналоговых
Цифроаналоговые преобразователи — это устройства включающие как цифровые так и аналоговые элементы. На цифровых входах можно использовать логические пробники и импульсные генераторы функций на аналоговом же выходе следует применять аналоговые измерительные приборы или осциллограф. В общем случае можно выделить два пути испытания работоспособности схем с ЦАП: тест статической точности и тест ступенчатой функции.
Тест статической точности включает процедуру установки на двоичных входах фиксированного значения и измерения выходного аналогового сигнала высокоточным вольтметром или амперметром. Этот тест проводится с целью проверки согласования выходного значения с ожидаемым значением из указанного диапазона точности для данного ЦАП. Если значение сигнала на выходе превышает пределы установленного диапазона в этом случае можно выделить несколько возможных причин такой неисправности. Приведем некоторые из них:
* Дрейф номиналов внутренних компонентов ЦАП (например дрейф сопротивлений резисторов) под воздействием температуры процессов старения или других факторов. Такое изменение параметров может запросто привести к появлению на выходе устройства значений выходящих за пределы установленного диапазона.
* Разомкнутые или накоротко замкнутые двоичные входы. В результате разрыва цепи сигнал с какого-то входа может не поступить на устройство следовательно в общем выходном сигнале будет отсутствовать вес этого разряда. Если же произойдет замыкание то в аналоговом выходном сигнале постоянно будет присутствовать вес какого-то конкретного разряда. Сложность определения таких ситуаций зависит от старшинства разрядов в которых происходит сбой.
* Неисправный источник опорного напряжения. Так как амплитуда выходного сигнала напрямую зависит от напряжения Uоп то легко можно получить результаты которые идут вразрез к предполагаемому диапазону возможных значений напряжений или токов. В тех случаях когда источник опорного напряжения является внешним по отношению к микросхеме цифроаналогового преобразователя опорное напряжение легко проверить с помощью цифрового вольтметра но в случае если этот источник интегрирован на плату проверка значительно усложняется. Исключение составляют только те интегральные схемы в которых опорное напряжение выведено на специальный вывод.
*Слишком большая погрешность смещения нуля вызванная процессами старения или влиянием температуры. Данная погрешность приводит к тому что реальный выходной сигнал все время отличается от ожидаемого на постоянную величину. Если ЦАП имеет внешнюю схему подстройки смещения то такую ошибку легко устранить но изменение рабочих температур может опять привести к ее повторному появлению.
Тест ступенчатой функции применяется для проверки монотонности цифроаналогового преобразователя т.е. в его ходе мы проверяем соответствие последовательного увеличения ступенчатой функции на выходе ЦАП последовательному увеличению двоичного входного кода (см. рис.3).
Ступени полученной функции должны меть одинаковый шаг; кроме того не должно быть пропущенных ступеней или участков на которых функция уменьшается а не увеличивается. Этот тест выявляет те внутренние или внешние неполадки ЦАП которые влияют на входные сигналы и приводят к появлению в выходной функции неправильных участков.
7. Аналого-цифровое преобразование
Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называется устройство которое преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой код соответствующий этому сигналу. Процесс аналого-цифрового преобразования обычно более сложный и занимает больше времени чем цифроаналоговое преобразование; кроме того существует достаточно много различных методов выполнения этой операции.
В некоторых широко применяемых типах АЦП используются ЦАП которые являются составной частью такого устройства. На рис.7 показана функциональная схема этого класса преобразователей. Согласование во времени обеспечивается внешним сигналом синхронизации. Устройство управления содержит схемные элементы с помощью которых происходит формирование заданной последовательности операций в ответ на импульс запуска (START COMMAND) поступление которого начинает процесс преобразования. Компаратор на операционном усилителе имеет два аналоговых входа и один цифровой выход состояние которого зависит от того какой из поданных аналоговых сигналов больше.
Процесс работы такого аналого-цифрового преобразователя можно описать в несколько этапов:
Импульс запуска (START COMMAND) начинает работу схемы.
Устройство управления со скоростью определяемой частотой сигнала синхронизации последовательно изменяет двоичные числа которые поступают на регистр.
Двоичное число из регистра преобразуется с помощью ЦАП в аналоговое напряжение VАХ
Компаратор сравнивает величину напряжения VАХ с аналоговым напряжением VА
Пока VАХ VА c выхода компаратора снимается сигнал с высоким уровнем напряжения. Если же VАХ превысит VА на напряжение равное пороговому VТ то на выходе компаратора установится сигнал с низким уровнем который остановит процесс записи чисел в регистр.
В этой точке напряжение VАХ будет приблизительно равно напряжению VА. Число записанное в регистр непосредственно перед этой операцией сравнения будет представлять собой цифровой эквивалент VАХ с погрешностью которая определяется разрядностью и точностью системы.
Устройство управления формирует сигнал окончания преобразования (ЕОС) который показывает что преобразование выполнено.
8. Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи
Структура одного из наиболее простых классов АЦП показана на рис.7 В таких преобразователях в качестве регистра используется двоичный счетчик состояния которого последовательно изменяются под воздействием сигнала синхронизации до тех пор пока напряжение VАХ не станет больше или равно VАХ. Такие аналого-цифровые преобразователи называются интегрирующими поскольку форма сигнала VАХ представляет собой пилообразную функцию (фактически это та же ступенчатая функция которая имеет очень малый шаг квантования). Такие АЦП иногда еще называют накапливающими.
На рис.8 показана функциональная схема интегрирующего АЦП. Преобразователь содержит счетчик ЦАП аналоговый компаратор и управляющий элемент И.
Сигнал с выхода компаратора служит сигналом окончания преобразования () активным для него будет низкий уровень напряжения. Если предположить что аналоговое напряжение VА которое нужно преобразовать в цифровой сигнал будет положительным то получится следующая процедура преобразования:
Импульс запуска (START) который подается на счетчик сбрасывает счетчик в 0. Высокий уровень напряжения этого импульса запрещает также сигналу синхронизации проходить через элемент И на счетчик.
Поскольку на всех входах ЦАП наблюдаются нулевые состояния на его выходе также получим VАХ = 0
Так как с VА > VАХ игнал с выхода компаратора будет иметь высокий уровень.
Как только сигнал START возвращается в состояние с низким уровнем напряжения элемент И начинает пропускать импульсы синхронизации на счетчик.
Счетчик начинает последовательно менять свои состояния и при этом сигнал VАХ на выходе ЦАП постепенно увеличивается как показано на рис. 8.
Процесс продолжается до тех пор пока напряжение VАХ не достигает значеню которое превышает VА на величину равную или большую чем
пороговое напряжение VТ (обычно от 10 до 100 мкВ). В этой точке сигнал переходит в состояние с низким уровнем напряжения и запрещает прохождение импульсов синхронизации на счетчик в результате чего тот перестает считать.
Итак процесс преобразования завершен о чем говорит спад импульса а содержимое счетчика представляет собой цифровой эквивалент аналогового напряжения VА.
Счетчик будет содержать цифровое значение напряжения до тех пор пока вновь импульс запуска (START) не запустит новый цикл преобразования еще раз.
Разрешающая способность и точность аналого-цифровых преобразователей
Очень важно знать виды ошибок связанных с любыми измерительными процессами. Постоянным источником погрешностей интегрирующего метода аналого-цифрового преобразования является тот факт что разрешающая способность или величина шага квантования АЦП которая представляет собой наименьшую величину измерения определяется соответствующим параметром встроенного ЦАП. Выходное напряжение VАХ представляет собой ступенчатую функцию которая дискретно возрастает до тех пор пока не превысит входной сигнал VА. Уменьшая величину шага квантования можно уменьшить погрешность но между реальной (аналоговой) величиной и полученным цифровым значением всегда будет небольшая разница. Этот вид ошибки называется погрешностью квантования. Погрешность квантования которая может быть уменьшена с помощью увеличения разрядности счетчика и ЦАП иногда еще называют погрешностью младшего значащего бита с коэффициентом +1 указывая на то что результат может отклоняться от истинного значения на величину равную весу младшего разряда. Посмотрим на проблему точности с другой стороны. Входной сигнал VА может принимать бесконечное число значений из диапазона от 0 В до п.с. Приближенное значение VАХ однако может принимать только ограниченное число дискретных значений т.е. какой-то небольшой диапазон аналоговых значений VА имеет одно и то же фиксированное дискретное значение которое соответствует этому диапазону. Другими словами напряжение VА должно измениться как минимум на 10 мВ (величина разрешающей способности) чтобы схема могла отреагировать на изменение входного сигнала соответствующим изменением цифрового кода на выходе.
Так же как и в ЦАП понятие точности не связано с понятием разрешающей способности напрямую а зависит от прецизионности компонентов схемы (например от точности изготовления компаратора
резисторов и ключей встроенного ЦАП напряжения опорного источника питания и т.д.). Погрешность равная 001% п.с. говорит о том что результат с выхода АЦП соответствует входному сигналу с погрешностью 001% от величины полномасштабного сигнала а ошибка преобразования вызвана неточностью параметров внутренних компонентов преобразователя. Эта ошибка прибавляется к погрешности квантования которая зависит от разрешающей способности. Оба указанных источника ошибок аналого-цифровых преобразователей обычно имеют один и тот же порядок величины.
Время преобразования tc
Время преобразования - это временной интервал между концом импульса запуска (START) и активацией сигнала . Счетчик начинает отсчет с нуля и продолжает считать пока напряжение VАХ не превысит VА. В этот момент сигнал переходит в состояние с низким уровнем и тем самым завершает процесс преобразования. Значение времени преобразования tc зависит от величины напряжения VА. Большее значение входного напряжения потребует большее количество шагов за которое ступенчатая функция достигнет нужной величины.
Максимальное время преобразования имеет место тогда когда значение VА находится прямо под значением полномасштабного сигнала что приводит к тому что сигналу VАХ необходимо последовательно пройти все шаги вплоть до последнего чтобы в конце концов мог активизироваться сигнал окончания преобразования . Для N-битового преобразователя это время равно
Tc(max) = (2N – 1) импульсов синхронизации.
Иногда указывается среднее время преобразования; оно берется равным половине максимального времени преобразования. Для интегрирующего аналого-цифрового преобразователя оно составит
t c(средн) = импульса синхронизации.
Основной недостаток интегрирующего аналого-цифрового преобразования заключается в том что время преобразования примерно удваивается с прибавлением каждого дополнительного бита поэтому разрешающая способность такого АЦП может быть улучшена только за счет увеличения времени tc. Это делает данный метод неприменимым в тех областях где требуется производить дискретизацию быстро изменяющихся аналоговых сигналов. Однако в менее скоростных приложениях относительная простота устройства интегрирующего аналого-цифрового преобразователя является важным преимуществом по сравнению с более сложными хотя и быстродействующими схемами.
Существует множество приложений в которых аналоговые данные должны быть оцифрованы (т.е. преобразованы в цифровой вид) и переданы в память компьютера. Процесс с помощью которого информация в цифровой форме поступает на компьютер называется сбором данных. Запись значения одной точки данных называется выборкой а сама точка называется отсчетом. Компьютер может осуществлять над данными разнообразные операции зависящие от области применения информации. Сохраняя данные (например при цифровой записи аудио- или видеоинформации) либо отображая сигналы на цифровом осциллографе встроенный микрокомпьютер может запоминать данные и передавать их на ЦАП чтобы позднее воспроизвести исходный аналоговый сигнал. Управляя этим процессом компьютер может также обрабатывать информацию например осуществлять над ней какие-то арифметические действия чтобы определить какой выход следует возбудить.
На рис.9 показано как подключается микропроцессор к интегрирующему АЦП для сбора данных. Для того чтобы начать очередной процесс преобразования компьютер формирует импульсы запуска (START). Сигнал окончания преобразования с выхода АЦП поступает на компьютер который отслеживает состояние этого сигнала для того чтобы обнаружить момент когда цикл аналого-цифрового преобразования будет завершен; затем уже в цифровой форме компьютер передает данные с выхода АЦП в память.Полный цикл преобразования в ходе которого компьютер формирует импульсы запуска отслеживает логические уровни сигнала окончания преобразования и загружает данные из АЦП в память выполняется под управлением программы запускаемой перед началом работы. В частности такая программа сбора данных определяет сколько точек данных аналогового сигнала будет сохранено в памяти.
Цифровой выходной сигнал
10. Аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания
Аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания представляют один из наиболее распространенных типов АЦП. Они имеют более сложную структуру чем интегрирующие АЦП но зато и намного более короткое время преобразования. К тому же для преобразователя поразрядного уравновешивания интервал преобразования входного сигнала фиксирован и не зависит от самого сигнала.
Упрощенная функциональная схема устройства такого АЦП показана на рис. 10 она во многом подобна схеме интегрирующего АЦП однако для того чтобы формировать входные сигналы на ЦАП в преобразователе поразрядного уравновешивания счетчик не используется а вместо него ставится регистр. Устройство управления изменяет содержимое регистра по биту за единицу времени до тех пор пока данные в регистре не будут соответствовать аналоговой входной величине точностью определяемой разрядностью конкретного АЦП. Последовательный алгоритм функционирования такого устройства приведен в виде блок-схемы на рис. 11. Этот алгоритм проаналозируем на примере которому соответствует рис.12.В данном примере используется простейший четырехбитовый преобразователь величина шага квантования которого составляет 1 В. Хотя обычно используемые на практике АЦП имеют большую разрядность и следовательно более высокую разрешающую способность их работа по существу остается такой же нужно только помнить что веса битов рассматриваемого регистра подаваемых на ЦАП будут составлять 8 4 2 и 1В соответственно.
Предположим что на вход был подан аналоговый сигнал VА = 104 В. Работа схемы начинается с того что устройство управления сбрасывает все
биты регистра в О т.е.Q1 =Q2 = Q3 = Q0 = 0 Запишем это состояние регистра иначе: [Q] = 0000. При этом с выхода АЦП снимем сигнал VАХ = 0 В (момент t0). При VАХ VА выходной сигнал компаратора (СОМР) находится в состоянии с высоким уровнем.
На следующем этапе (момент t1) устройство управления записывает 1 в триггер регистра соответствующий старшему значащему биту т.е. [О] = 1000. Это соответствует напряжению VAX = 8 В. Так как VAX еще меньше чем VA выходной сигнал компаратора остается в состоянии с высоким уровнем. Такой уровень сообщает устройству управления что установка старшего значащего бита не привела к условию VAX VA старший значащий бит следует оставить в единичном состоянии.
Теперь устройство управления записывает в регистр следующий по весу бит Q2. Записывается значение Q2 =1 в регистре получается [Q] = 1100 что соответствует напряжению VAX = 12 В в момент t2. Поскольку VАХ > VА то сигнал с выхода компаратора (на рисунке обозначен как СОМР) переходит в состояние с низким уровнем. Этот уровень оповещает устройство управления о том что значение VAX оказалось чересчур большим поэтому в момент времени tз устройство управления сбрасывает бит Q2 в ноль. Таким образом в этот момент регистр возвращается к состоянию 1000 а VAX - к значению 8 В.
Следующий шаг происходит в момент t4 устройство управления записывает 1 в следующий бит Q1 т.е. [Q] == 1010 а VAX = 10 В. Так как VАХ VА сигнал СОМР остается в состоянии с высоким уровнем напряжения поэтому бит Q1 остается в единичном состоянии.
И наконец в момент времени t5 устройство управления записывает 1 в младший бит Q0 т.е. теперь [Q] = 1011 а VAX = 11 В. Значение VАХ > VА поэтому сигнал c выхода компаратора переходит в состояние с низким уровнем напряжения который сигнализирует о том что значение VAX снова слишком велико следовательно устройство управления очищает бит Q0
К этому моменту были проанализированы уже все биты регистра т.е. преобразование фактически завершено поэтому устройство управления
активизирует сигнал окончания цикла () что говорит о нахождении в регистре цифрового эквивалента аналогового сигнала VA. В рассматриваемом примере при значении аналогового сигнала VA = 10.4 В получен цифровой эквивалент [Q] = 1010. Rодовая комбинация 1010 представляет значение 10 В т.е. меньше чем значение. сигнала на входе устройства. Это одно из свойств аналого-цифровых преобразователей поразрядного уравновешивания. Стоит запомнить что интегрирующие АЦП всегда выдают значение эквивалентное входному но на один шаг больше.
Время преобразования
При работе АЦП поразрядного уравновешивания устройство управления последовательно переходит к каждому биту регистра записывает в него 1 решает оставлять ли это состояние в каждом конкретном случае после чего переходит к следующему биту. Обработка каждого бита занимает один период синхронизации поэтому общее время преобразования для N-битового АЦП составит N периодов сигнала синхронизации т.е.
время tс для АЦП поразрядного уравновешивания = N х 1 период сигнала синхронизации.
Такая величина времени преобразования будет одинаковой для всех значений уровней входного напряжения VA. Это свойство обусловлено тем что устройство управления обязательно должно проверить в какие биты должна быть записана 1 а в какие — нет.
Аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания имеют относительно малые значения времени преобразования поэтому их применение при сборе данных позволит передать за заданный интервал времени большее количество информации. Эта характеристика может быть очень важной когда аналоговые данные изменяются с относительно большой скоростью.
1.Сравнительный обзор цифровых и аналоговых систем
2.Цифроаналоговое преобразование
3Строение цифроаналогового преобразователя
4Характеристики цифроаналогового преобразователей
5Цифроаналоговые преобразователи на интегральных схемах
6Поиск неисправностей в цифроаналогового преобразователях
7Аналого-цифровое преобразование
8Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи
10Аналого-цифровые преобразователи поразрядного уравновешивания

СХЕМА 4.cdw

Схема 2.cdw

Рис 6.а)Восьмибитовый ЦАП на
для формирования аналогового
напряжение в диапозоне от 0
до приблизительно -10 В

СХЕМА 3.cdw

Конец преобразования
Результат в цифровом виде
Рис. 7. Функциональная схема

СХЕМА1а.cdw

(входной код - 1111 )
Разрешение = величина шага =
Рис.3.Форма сигнала на выходе
управляемого сигналами с

СХЕМА 1.cdw

Точное опорное напряжение
Схема четырёхбитового ЦАП
с прецизионным источником
Рис.5.Полная схема четырёхбит
ового ЦАП с презиционным