Цель работы: изучение принципов построения и электрических схем электронных цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), исследование электронных моделей ЦАП.
Используемое оборудование и средства: персональный компьютер, программа Electronics Workbench.
Методические указания: работа выполняется студентами за два часа аудиторных занятий; подготовка к работе и обработка результатов производится при самостоятельной подготовке. Используются файлы DA_Convert_01, DA_Convert_02.
Основные теоретические сведения
Аналого-цифровое преобразование – операция, устанавливающая отношение двух величин.
Аналоговый сигнал UX преобразуется в дробь Х путем сопоставления его значения с уровнем опорного сигнала Uref. Выходной сигнал преобразователя является кодовым представлением этой дроби. Если выходной сигнал n-разрядный двоичный код, то число дискретных выходных уровней 2n. Весь диапазон изменения входного сигнала может быть разбит на такое же число уровней. Каждый квант такого разбиения представляет значение аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант иначе называют величиной младшего разряда (МЗР)
q = МЗР = U0/2n,
где U0 – полный диапазон преобразования.
С учетом того, что одна из кодовых комбинаций присваивается нулевому уровню входного сигнала, максимальный выходной сигнал АЦП соответствует аналоговой величине полного диапазона минус 1 МЗР.
В состав АЦП часто входят вспомогательные узлы, существенно улучшающие метрологические характеристики и расширяющие функциональные возможности АЦП: буферные усилители, автоматические переключатели диапазонов, программируемые усилители, устройства выборки-хранения, схемы автокалибровки и автоподстройки, экстраполяторы, оперативные и постоянные запоминающие устройства, фильтры, и т.п. Практически все современные АЦП ориентированы на совместную работу с микропроцессорными системами и содержат элементы интерфейса (буферные регистры, дешифраторы адреса и т.п.).
Аналого-цифровые, цифро-аналоговые преобразователи.
Основные типы.
ЦАП—устройство, которое создает на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток), пропорциональный входному цифровому сигналу.
АЦП представляет собой устройство для преобразования непрерывно изменяющихся во времени аналоговых величин в эквивалентные значения числовых кодов. Количественная связь между аналоговой величиной А; и соответствующей ей цифровой величиной Ni имеет вид
A = Ni •ΔА+δA,
где ΔА— шаг квантования, т.е. аналоговый эквивалент единицы младшего разряда кода;
δA- погрешность преобразования в данной точке характеристики.
Как правило, в ЦАП и АЦП используется двоичная система кодирования. При этом старший (1-й) разряд равен половине полной шкалы, 2-й разряд — четверти полной шкалы и т.д.
ЦАП строятся в основном по принципу параллельного преобразования на основе резистивных матриц различной конфигурации (матрицы R—2R, матрицы с двоично-взвешенными резисторами и др.) и переключателей тока или напряжения. ЦАП с переключателями тока обладают более высокими быстродействием, точностью и технологичностью изготовления в микроэлектронном исполнении. Схемы ЦАП взвешивающего типа требуют применения резисторов с номиналами сопротивлений, изменяющихся в широких пределах, их точность ограничена из-за высокой чувствительности к параметрам неидеальности электронных ключей. Уникальным достоинством ЦАП взвешивающего типа является возможность преобразования цифровых кодов, представленных в любых форматах, что реализуется простым изменением номиналов резисторов. В ЦАП лестничного типа (R—2R) применяются резисторы только двух номиналов (фактически при изготовлении ЦАП в виде интегральной схемы используются резисторы только одного номинала – второй реализуется при параллельном или последовательном соединении резисторов одного исходного номинала). Эта особенность обуславливвает высокую стабильность и точность ЦАП типа R—2R.
При построении АЦП в настоящее время используется в основном один из трех принципов: параллельного преобразования, последовательных приближений, интегрирования входного сигнала. АЦП параллельного (прямого) преобразования обладают самым высоким быстродействием, однако разрядность таких преобразователей ограничена необходимым большим количеством n устройств сравнения входного сигнала с дискретными уровнями, определяемыми выражением n=2b-1, где b— число двоичных разрядов АЦП. АЦП последовательного приближения обладают сравнительно высоким быстродействием и высокой разрядностью. Интегрирующие АЦП имеют очень низкое быстродействие, но обеспечивают высокую помехозащищенность, поэтому используются в ИИС и измерительных преобразователях, где требуется высокая точность при воздействии различного рода помех и шумов. В настоящее время промышленность выпускает ЦАП и АЦП всех типов в интегральном исполнении.
Характеристика преобразования ЦАП (АЦП) – это зависимость между напряжением на его аналоговом выводе и множеством возможных значений цифрового кода, заданная в виде таблицы, графика или формулы. Различают номинальную характеристику преобразования (рис.1) установленную в стандартах или технических условиях, и действительную характеристику преобразования, найденную экспериментальным путем и настолько приближенную к истинной характеристике преобразования конкретного устройства, что для данной цели может быть использована вместо нее.
Рис.1. Номинальная характеристика преобразования двоичного АЦП в униполярном режиме
Разрешающая способность – величина, обратная максимальному числу кодовых комбинаций. Разрешающая способность выражается в процентах, разрядах или децибелах и характеризует потенциальные возможности преобразователя с точки зрения достижимой точности. Например, 12-разрядный ЦАП имеет разрешающую способность 1/4096, или 0,245% от полной шкалы, или -72,2 дБ.
Одним из фундаментальных понятий, на котором базируются определения основных метрологических характеристик АЦП и ЦАП, является значение напряжения межкодового перехода, – определенное по характеристике преобразования значение напряжения на аналоговом входе, соответствующее переходу от предыдущего к заданному значению выходного кода. При наличии шума значением напряжения межкодового перехода называют значение напряжения на аналоговом входе АЦП, при котором вероятности появления на выходе АЦП предыдущего и заданного значения выходного кода равны между собой. Экспериментально напряжение межкодового перехода определяют путем измерения среднего значения напряжения на входе АЦП, для которого число появлений заданного и предшествующего заданному значений выходного кода равны между собой.
Номинальное значение кванта преобразования называют единицей младшего разряда (ЕМР) или Младшим значащим разрядом (МЗР). Данное определение не всегда может быть использовано для начальной и конечной точек характеристики преобразования ЦАП и АЦП.
Область значений напряжений на аналоговом выводе преобразователя, ограниченная значениями напряжения, соответствующими начальной и конечной точкам характеристики преобразования, называется диапазоном входного напряжения.
Характеристики реальных преобразователей отличаются от идеальных характеристик. Передаточная характеристика реального преобразователя может быть параллельно сдвинута относительно идеальной (погрешность смещения или установки нуля), отличаться от идеальной наклоном (погрешность усиления) равномерно во всем диапазоне преобразования, или только в его части (интегральная или дифференциальная нелинейность). Погрешности смещения или усиления могут быть легко скомпенсированы. Сложнее поддаются регулировке погрешности нелинейности, особенно дифференциальные нелинейности. Если дифференциальная нелинейность превышает величину 1 МЗР, то в выходном сигнале может отсутствовать одна из кодовых комбинаций, т.е. реализуется ситуация "выпадающего кода."
|
|
Погрешность смещения | Погрешность усиления |
|
|
Интегральная нелинейность | Дифференциальная нелинейность |
Схемы ЦАП взвешивающего типа
ЦАП типа R – 2R
