Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломная работа

на тему:

"Лабораторный макет для изучения ЦАП и АЦП"

2007

Введение

Преобразование между аналоговыми и цифровыми величинами - основная операция в вычислительных и управляющих системах, поскольку физические параметры, такие, как температура, перемещение, и напряженность магнитного поля, являются аналоговыми, а большинство практических методов обработки, вычисления и визуального представления информации - цифровыми. Путем преобразования в цифровую форму с помощью АЦП, расположенных в оконечном устройстве, реализуются высокоскоростные, малошумящие, устойчивые и дешевые системы передачи данных на большие расстояния.

Несмотря на широко распространенное применение преобразователей, стандартизации в этой области почти нет. Также отсутствуют производственные линии, в которых производство преобразователей доминирует настолько, чтобы обеспечить практическую основу для стандартизации. К тому же изготовители оговаривают определенные допустимые условия для своих приборов. При анализе табличных данных следует уделять большое внимание выявлению условий, при которых определяется каждый параметр. Разные фирмы - изготовители преобразователей определяют и проверяют одни и те же параметры различными способами. В этом случае разработчик систем должен быть сам убежден в том, что преобразователь будет согласован и совместим с системой.

Эти трудности дополнительно усугубляются многообразием в терминологии и неточностью определений. Изменение технологии производства, разработка новых полупроводниковых элементов и изменяющиеся требования, продиктованные условиями минимальной стандартизации, приводят к возрастающему разнообразию имеющихся преобразователей. К тому же, поскольку методы преобразования различны, одинаковые приборы могут проявлять едва заметные, но существенные для эксплуатации отличия. В результате выбор наилучшего преобразователя для конкретного применения требует высокой степени мастерства.

Так как АЦП и ЦАП по существу являются устройствами сопряжения, основную схему преобразования необходимо приспосабливать для удовлетворения требований различных применений. Для адаптации необходимы суммирующие регистры, буферы, цифровой узел синхронизации и источник опорного напряжения: их часто предусматривают внешними по отношению к преобразователю. Очевидно, что точное определение того, что содержится в модуле преобразователя, существенно влияет на цену и затрудняет сравнение конкурирующих моделей.

Еще несколько лет тому назад такое сравнение приходилось проводить буквально по множеству элементов, что было достаточно дорого и сложно. В настоящее время с появлением преобразователей с высокой разрешающей способностью на дешевых элементах модульной конструкции, которые работают на высоких скоростях, а стоят лишь часть того, что они стоили раньше, цифровая обработка сигналов стала доступна любому разработчику, который в ней нуждается. Это стало возможным благодаря успехам в толсто- и тонкопленочной и полупроводниковой технологиях, которые объединили множества элементов в единое целое в области одного кристалла. В итоге значительно уменьшились размеры, во многих случаях улучшились характеристики и, конечно, снизилась удельная стоимость преобразователей.

ЦАП можно представить как цифровой управляемый потенциометр, который создают на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток), отображающий нормированную часть его заданной полной шкалы. Выходное напряжение или ток зависят от значения опорного напряжения, выбираемого для задания полной шкалы выходного сигнала. Если опорное напряжение изменяется в соответствии с аналоговым сигналом, то выходной сигнал пропорционален произведению цифрового числа и аналогового входного сигнала. Полярность произведения зависит от полярности аналогового сигнала, цифровой системы кодирования и характера преобразования. Если ЦАП воспринимает опорные сигналы как положительной, так и отрицательной полярности и цифровой сигнал биполярный, то происходит четырехквадрантное умножение.

В АЦП цифровое число на выходе зависит от отношения преобразуемого входного сигнала к опорному сигналу, соответствующему полной шкале. Если опорный сигнал изменяется согласно изменению второго входного аналогового сигнала, то цифровой сигнал на выходе будет пропорционален отношению аналогового и опорного сигналов. Таким образом «измеритель отношений» АЦП может быть представлен как делитель аналоговых сигналов с цифровым выходом.

Преобразование аналоговых величин в цифровые, а также цифровых значений в аналоговые - практически основная операция в вычислительных и управляющих системах. Ряд технических параметров, таких как температура, перемещение, напряженность, магнитного поля и т.д., являются аналоговыми, а большинство практических методов обработки, вычисления и визуального представления информации - цифровыми. Преобразование в цифровую форму сигналов источника информации (давления температуры, скорости, звука и т.д.) и восстановление тех же самых сигналов в оконечном устройстве осуществляют с помощью так называемых Аналого-цифровых (АЦП) и цифроаналоговых (ЦАП) преобразователей. Эти устройства, по существу, являются устройствами сопряжения, они позволяют приспосабливать основную схему измерения к устройствам передачи и обработки данных для обеспечения различных требований, обусловленных спецификой требования.

Для согласования работы ЦАП и АЦП необходимы разнообразные элементы как аналоговой, так и цифровой техники.

ЦАП можно представить как цифровой управляемый потенциометр, который создает на выходе аналоговый сигнал (напряжение или ток), отображающий нормированную часть его полной заданной шкалы. Выходное напряжение или ток зависят от значения опорного напряжения, выбираемого для задания полной шкалы выходного сигнала. Если опорное напряжение или ток зависят от значения опорного напряжения, выбираемого для задания полной шкалы выходного сигнала. Если опорное напряжение изменяется в соответствии с аналоговым сигналом, то выходной сигнал пропорционален произведению цифрового числа и аналогового входного сигнала, такой ЦАП называют перемножающим. Полярность произведения зависит от полярности аналогового сигнала, цифровой системы кодирования и характера преобразования. Если ЦАП воспринимает опорные сигналы как положительной, так и отрицательной полярности и цифровой сигнал биполярный, то происходит четырехквадрантное перемножение.

Благодаря широкому внедрению в современную электронную аппаратуру микропроцессоров, ЦАП, выпущенные в виде БИС, стали необходимыми элементами при проектировании блоков вычислительной техники, в робототехнике, в системах отображения информации, в системах цифровой связи, в измерительных приборах, системах синтеза аналоговых сигналов и т.д.

В данном дипломном проекте необходимо рассмотреть типовые схемы устройств ЦАП И АЦП с применением логических элементов в качестве управляющего органа и возможностью ручного управления кодом.

Целью данного индивидуального задания является проектирование лабораторного макета для изучения свойств и характеристик АЦП и ЦАП.

Преобразование аналоговой величины в цифровой код применяется довольно часто: в цифровых приборах с индикацией результатов измерения в привычном десятичном счислении, для ввода в цифровой форме параметров технологического процесса в ЭВМ, которая не допускает их выхода за установленные пределы, при передаче информации по линии с целью повышения её помехозащищенности и т.д.

Обратное - цифроаналоговое - преобразование в ряде случаев сопровождает аналогово-цифровое. Кроме того, их сочетание позволяет осуществлять цифровую обработку аналоговой величины, предварительно преобразованной в цифровую форму, и последующее преобразование к исходному аналоговому виду.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей «напряжение-код» - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

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.

Схемы применения цифро-аналоговых преобразователей относятся не только к области преобразования код - аналог. Пользуясь их свойствами можно определять произведения двух или более сигналов, строить делители функций, аналоговые звенья, управляемые от микроконтроллеров, такие как аттенюаторы, интеграторы. Важной областью применения ЦАП являются также генераторы сигналов, в том числе сигналов произвольной формы.

1. Анализ технического задания

Разрабатываемое устройство представляет собой лабораторный макет для исследования характеристик ЦАП и АЦП. Лабораторный макет предназначен для закрепления знаний, которые были получены студентами на лекциях, а также закрепления этого материала. Лабораторный макет прост в использовании, имеет не большое количество переключателей и клемм, к которым будут подключаться устройства отображения информации (осциллограф, вольтметр). При выходе из строя того или иного элемента, его можно будет легко заменить, открыв лицевую часть макета. Устройство будет питаться напряжениями небольших значений, которые обычно используются для питания логических интегральных микросхем. Работа макета основана на использовании резистивных матриц.

Для работы с макетом составлена программа работы для двух лабораторных работ, которые нужно будет выполнить и сделать по полученным результатам соответствующие выводы.

Составление таблиц программ работ для лабораторных работ позволит упростить работу с макетом, т. к. там описаны основные методики работы с макетом.

Конструкция макета не громоздка, поэтому при работе с ним, макет не будет загромождать рабочий стол. Измерение параметров будет осуществляться с помощью тумблеров и переключателей, которые расположены на лицевой части макета.

В данном дипломном проекте необходимо рассмотреть основные схемы цифроаналоговых и аналого-цифровых преобразователей. Преобразователи, которые зачастую очень редко используются в схемотехнике в связи с тем, что они не практичны и создают большие проблемы в плане их реализации в схемах и приборах, мы затронем только частично.

Рассмотрим основные схемы включения преобразователей и области их применения.

Основной упор сделаем на преобразователи с матрицами постоянного импеданса и АЦП последовательно счета.

Функциональные возможности разрабатываемого устройства:

- устройство предназначено для преобразования цифрового кода, разрядность которого имеет четыре или три.

- преобразование будет осуществляться следующими способами: преобразование с двоично-взвешенными резисторами; преобразование с резисторной матрицей R-2R, суммирующей токи и преобразование с резисторной матрицей суммирующей напряжения; преобразование аналогового сигнала при помощи двухтактного интегрирования.

- возможность ручного управления кодом.

2. Типы цифровых кодов, применяемых в ЦАП и АЦП

В значительном большинстве ни цифроаналоговые, ни аналого-цифровые преобразователи практически почти невозможно применять без знания типа используемого на входе или выходе цифрового кода и значения представленного им как цифрового, так и аналогового сигналов.

Преобразователи работают либо с однополярными, либо биполярными цифровыми кодами. К первым относятся прямой или обычный двоичный, и двоично-кодированный десятичный коды (ДДК). Ко вторым относятся двоичный код со смещением, код с дополнением до 1 и код с дополнением до 2. Код Грея можно использовать как при однополярном, так и биполярном применениях.

В обычном двоичном коде аналоговым величинам ставят в соответствие числа в позиционной системе счисления, при которой старший разряд имеет вес, равный 1/2 = 2^-1, следующий за старшим разряд имеет вес, равный 1/4 = 2^-2, и так далее, вплоть до младшего разряда с весом 1/2ⁿ. Значение двоичного числа определяется как полная сумма весов всех его ненулевых разрядов. Этот тип кода пригоден только для однополярного режима работы.

При биполярных операциях применяют двоичный код со смещением. Он является ничем иным, как обычным двоичным кодом, за исключением того, что нуль двоичного числа и нуль аналоговой величины не совпадают, как в обычном двоичном коде, а смещены таким образом, что двоичным нулем кодируется максимальное отрицательное значение аналоговой величины. Это дает возможность устанавливать в старшем разряде «0» для всех отрицательных и «1» для положительных аналоговых величин.

Дополнительный код используют в основном тогда, когда в дискретную форму необходимо преобразовать биполярные аналоговые величины, но при условии, что нулю аналоговой величины соответствует нуль двоичного числа. Данное условие обеспечивается простым инвертированием двоичного кода и инвертирование каждого «0» в «1» и наоборот только в старшем разряде кода. Этот код является просто двоичным кодом с инвертированным старшим разрядом.

При использовании дополнительного кода различия в преобразовании аналогового нулевого уровня приводят либо к коду с дополнением до 1, либо к коду с дополнением до 2. Если аналоговому интервалу, у которого значение нижней границы равно нулю, ставится в соответствие нуль двоичного числа, то получается код с дополнением до 1. Для кода с дополнением до 2 двоичный нуль ставится в соответствие аналоговому интервалу, в котором значение нуля располагается в центре этого интервала.

Еще одним двоичным кодом является код Грея. Этот код аналогичен обычному двоичному коду в том смысле, что каждая характерная совокупность кодов отображает определенную часть аналоговой области. Отсюда, однако, не следуют те же правила весов, что в обычном коде. В некоторых применениях, как, например, в кодирователях угла поворота вала, при этих кодах обеспечиваются меньшие погрешности, чем при других кодах.

Специфическую связь между обычным двоичным кодом и кодом Грея наилучшим образом можно проиллюстрировать при преобразовании обычного двоичного кода в код Грея на приведенном далее примере для двоичного эквивалента числа 27, которое изображается как 11011. Чтобы преобразовать это число в код Грея, поступаем следующим образом. Старший разряд кода Грея будет таким же, как и старший разряд обычного двоичного кода. Каждый следующий после старшего разряд двоичного кода будет давать в коде Грея «1» при изменении двоичного кода (при переходе от «0» к «1» или наоборот) или «0» при отсутствии изменения в двоичном коде, в коде Грея изображается как 10110.

Двоично-кодированный десятичный код (ДДК) типа 8-4-2-1 является кодом, в котором каждый разряд представляется четырьмя двоичными разрядами. Если исходить из старшего разряда этого ДДК, следующий менее значащий разряд представляет вес 0,1. Последующий за старшими разрядами младший разряд имеет вес 0,01, а каждой четверке может быть присвоено любое значение от 1 до 9. Такой код широко применяется в цифровом вольтметре и на входах измерительного щита управления, а создается он входным АЦП.

Имеется несколько других кодов, многие из которых являются сочетаниями или комбинациями данных основных кодов. Однако основные коды уже упоминались при рассмотрении множества кодов, используемых в настоящее время в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях. Все эти коды перечислены в таблице 2.1, из которой видно как они различаются для гипотетического диапазона напряжений.

Таблица 2.1 - Коды

Аналоговое напряжение, мВ	Однополярные коды
	Прямой двоичный код	Двоично-десятичный типа 8-4-2-1
0…128	000	0001	0010	1000
128…256	001	0010	0101	0110
256…384	010	0011	1000	0100
384…512	011	0101	0001	0010
512…640	100	0110	0100	0000
640…768	101	0111	0110	1000
768…896	110	1000	1001	0110
896…1024	111	Свыше 0,999 недопустимо
Аналоговое напряжение, мВ	Биполярные коды
	Двоичный со смещением	С дополнением до 1
-512… - 384	000	100
-384… - 256	001	101
-256… - 128	010	110
-128…0	011	111
0…128	100	000
+128…+256	101	001
+256…+384	110	010
+384…+512	111	011
Аналоговое напряжение, мВ	Биполярные коды
	С дополнением до 2	Грея
-576… - 448	100	000
Аналоговое напряжение, мВ	Биполярные коды
	С дополнением до 2	Грея
-448… - 320	101	001
-320… - 192	110	011
-192… - 64	111	010
-64…+64	000	110
+64…+192	001	111
+192…+320	010	101
+320…+448	011	100

Существует множество уровней напряжения и допустимых токов возбуждения, соответствующих логическому «0» и логической «1». Наличие этого множества является результатом исторических компромиссов между требованиями, предъявляемыми к быстродействию, достоверному различению состояний логических схем, усложнению электрических схем, нагрузочной способности по выходу, и ограничениями, связанными с технологией изготовления схем.

Обычно в АЦП и ЦАП используют один из стандартных кодов, представленных в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Коды, используемые в АЦП и ЦАП

ЦАП	АЦП
Однополярные коды
Прямой двоичный	Прямой двоичный
Двоично-кодированный десятичный	Двоично-кодированный десятичный
Дополнительный двоичный	Прямой двоичный при инверсии аналогового сигнала
Дополнительный двоично-кодированный десятичный	Двоично-кодированный десятичный при инверсии аналогового сигнала
Биполярные коды
Окончание таблицы 2.2
Биполярные коды
Двоичный со смещением	Двоичный со смещением
Дополнительный двоичный со смещением	Двоичный с дополнением до 2
Двоичный с дополнением до 2	Двоичный со смещением при инверсии аналогового сигнала
	Двоичный с дополнением до 2 при инверсии аналогового сигнала
	Знак - двоичный код модуля числа
	Знак - двоично-кодированный десятичный код модуля числа

3. Обзор и анализ ЦАП

3.1 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 рисунке 3.1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:

а) по виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения;

б) по типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;

в) по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные;

г) по быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.

Рисунок 3.1 - Классификация ЦАП

3.1.1 Последовательные ЦАП

ЦАП с широтно-импульсной модуляцией

Рассмотрим 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).

Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования.

В зависимости от заданной разрядности преобразования контроллер с помощью своего таймера / счетчика формирует последовательность импульсов.

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

Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах

Рассмотренный выше 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). Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.

ЦАП на переключаемых конденсаторах имеет ряд недостатков: это и процесс разряда и заряда конденсаторов, который занимает большое время преобразования. А если еще и нужно сохранять результат преобразования, то к этому ЦАПу следует подключить устройство выборки-хранения (УВХ). После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.

Данный преобразователь используется в электронной технике довольно редко, как и ЦАП с ШИМ, ввиду того, что на перезаряд конденсаторов требуется большое время.

3.1.2 Параллельные ЦАП

ЦАП на базе двоично-взвешенных резисторов

ЦАП на основе двоично-взвешенных резисторов состоит из матрицы двоично-взвешенных резисторов, N переключателей на каждый разряд, управляемых цифровыми сигналами, источника опорного напряжения и суммирующего элемента.

Функцию суммирующего элемента выполняет операционный усилитель (ОУ) в инвертирующем включении, для которого вся матрица резисторов может быть представлена одним входным резистором. Операционный усилитель обеспечивает нулевой потенциал на выходе матрицы резисторов (инвертирующем входе ОУ) независимо от состояния переключателей S1-S4.

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.

Рисунок 3.2 - Простейшая схема ЦАП с суммирование весовых токов

Здесь весовые токи формируются с помощью резисторов в полном соответствии с законом Ома. 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

, (3.1)

где k - разрядность входного кода;

- принимает значение 0 или 1 в зависимости от состояния i - разряда входного кода;

D - входной код (точнее суммарный вес входного кода).

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

(3.2)

Из этого условия следует, что относительная погрешность сопротивления весовых резисторов должна снижаться по мере роста разрядности ЦАП. Например, в четвертом разряде 4 - разрядного ЦАП она не должна превышать 6%, а в десятом разряде 10 - разрядного - 0,1%. Это требование делает фактически нереализуемым по указанному принципу ЦАП с разрядностью выше 12, особенно для высокоскоростных схем. Поэтому в ЦАП высокой разрядности обычно применяют сегментацию цепей задания весовых токов старших разрядов.

Рассмотренная схема ЦАП с суммированием весовых токов при всей её простоте обладает рядом недостатков:

а) при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это может повлиять на величину входного напряжения ИОН;

б) значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивления резисторов в старших разрядах в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутых ключей, а это ведет к дополнительным погрешностям преобразования;

в) в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.

Рассмотрим схему ЦАП, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рисунке 3.3. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.

Рисунок 3.3 - Схема ЦАП с переключателями и матрицей постоянного импеданса

В этой схеме задание весовых коэффициентов ступеней преобразователя осуществляют посредством последовательного деления опорного напряжения с помощью резистивной матрицы постоянного импеданса (так называемая матрица R-2R).

Предполагается, что благодаря малому или близкому к нулю входному импедансу приемников выходных токов при любом положении ключей нижние выводы резисторов находятся под потенциалом общей шины схемы. Поэтому источник опорного напряжения всегда нагружен на постоянное сопротивление R. Это гарантирует неизменность опорного напряжения при любом входном коде ЦАП.

Согласно рисунку 3.3, выходные токи схемы определяются соотношениями

, (3.3)

(3.4)

(3.5)

Поскольку нижние выводы резисторов 2R матрицы при любом состоянии переключателей S_k соединены с общей шиной схемы через низкое сопротивление замкнутых ключей, напряжения на ключах всегда небольшие, в пределах нескольких милливольт. Это упрощает построение ключей и схем управления ими и позволяет использовать опорное напряжение из широкого диапазона, в том числе и различной полярности. Поскольку выходной ток ЦАП зависит от U_оп линейно (3.3), преобразователи такого типа можно использовать для умножения аналогового сигнала (подавая его на вход опорного напряжения) на цифровой код. Такие ЦАП называют перемножающими.

Точность этой схемы снижает то обстоятельство, что для ЦАП, имеющих высокую разрядность, необходимо согласовывать сопротивления ключей в открытом состоянии с разрядными токами. Особенно это важно для ключей старших разрядов.

ЦАП на источниках тока обладают более высокой точностью. В отличие от предыдущего варианта, в котором весовые токи формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, зависят от сопротивления ключей и нагрузки, в данном случае весовые токи обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое сопротивление. В качестве переключателей тока часто используются биполярные дифференциальные каскады, в которых транзисторы работают в активном режиме. Это позволяет сократить время установления до единиц наносекунд. Поскольку выходные сигналы таких ЦАП захватывают радиочастотный диапазон, они имеют выходное сопротивление 50 или 75 Ом, которое должно быть согласовано с волновым сопротивлением кабеля, подключаемого к выходу преобразователя.

Формирование выходного сигнала в виде напряжения

Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с суммированием весовых токов. Для исключения влияния сопротивления нагрузки оптимальным вариантом является схема с повторителем напряжения на ОУ (рис. 3.4).

Рисунок 3.4 - ЦАП на резистивной матрице типа R-2R с выходом по напряжению

Информация с ЦАП на матрице типа R-2R может получена также и в виде тока, как показано на рисунке 3.5. В этой схеме двоичное деление токов ключей S1, S2, S3 осуществляется с помощью последовательного деления тока между шунтирующими резисторами с сопротивлениями 2R и последовательно с ними включенными ветвями цепочки резисторов с сопротивлением R. При этом токи в ветвях такой цепочки резисторов удовлетворяют двоичному соотношению и вклад каждого разряда в выходной сигнал пропорционален его двоичному весу. Отличие этой схемы в том, что цепочка резисторов R-2R нагружена на согласующий резистор 2R, который является входным для инвертирующего ОУ. Для получения на выходе ОУ напряжения, равного Uоп/2 при включении старшего разряда, на ОУ установлен коэффициент передачи K = -3/2.

Рисунок 3.5 - ЦАП на резистивной матрице типа R-2R с выходом по току

Параллельный ЦАП на переключаемых конденсаторах (ЦАП с суммированием зарядов)

Основой ЦАП этого типа является матрица конденсаторов, емкости которых соотносятся как целые степени двух.

Для хранения результата преобразования (постоянного напряжения) в течении сколь-нибудь продолжительного времени к выходу ЦАП этого типа следует подключить устройство выборки-хранения. Хранить выходное напряжение неограниченное время, как это могут делать ЦАП с суммированием весовых токов, снабженные регистром-защелкой, преобразователи на коммутируемых конденсаторах не могут из-за утечки заряда. Поэтому они применяются, в основном, в составе Аналогоцифровых преобразователей. Другим недостатком является большая площадь кристалла ИМС, занимаемая подобной схемой.

ЦАП с суммированием напряжений

Схема восьмиразрядного преобразователя с суммированием напряжений, изготавливаемого в виде ИМС, приведена на рисунке 2.6. Основу преобразователя составляет цепь из 256 резисторов равного сопротивления, соединенных последовательно. Вывод W через ключи S₀…S₂₅₅ может подключаться к любой точке этой цепи в зависимости от входного числа. Входной двоичный код D преобразуется дешифратором 8х256 в унитарный позиционный код, непосредственно управляющий ключами. Если приложить напряжение U_AB между выводами А и В, то напряжение между выводами W и B составит

(3.6)

Рисунок 3.6 - Блок-схема ЦАП с суммированием напряжений

Достоинством данной схемы является малая дифференциальная нелинейность и гарантированная монотонность характеристики преобразования. Ее можно использовать в качестве резистора, подстраиваемого цифровым кодом. Выпускается несколько моделей таких ЦАП. Недостаток схемы - необходимость изготавливать на кристалле большое количество (2^N) согласованных резисторов. Тем не менее, в настоящее время выпускаются 8-ми, 10-ти и 12-ти разрядные ЦАП данного типа с буферными усилителями на выходе.

3.2 Интерфейсы цифро-аналоговых преобразователей

Важную часть цифро-аналогового преобразователя составляет цифровой интерфейс, т.е. схемы, обеспечивающие связь управляющих входов ключей с источниками цифровых сигналов. Структура цифрового интерфейса определяет способ подключения ЦАП к источнику входного кода, например, микропроцессору или микроконтроллеру. Свойства цифрового интерфейса непосредственно влияют и на форму кривой сигнала на выходе ЦАП. Так, неодновременность поступления битов входного слова на управляющие входы ключей преобразователя приводит к появлению узких выбросов, «иголок», в выходном сигнале при смене кода.

При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой управляющие входы ключей ЦАП могут быть непосредственно подключены к выходам цифровых устройств, поэтому во многих моделях ИМС ЦАП, особенно ранних, сколь-нибудь существенная цифровая часть отсутствует. Если же ЦАП входит в состав микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с этим словом ключи ЦАП и хранить его до получения другого слова. Для управления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответствующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от способа загрузки входного слова в ЦАП различают преобразователи с последовательным и параллельным интерфейсами входных данных.

3.3 Параметры ЦАП

При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до 2N-1 через единицу младшего разряда (ЕМР) выходной сигнал U_вых(t) образует ступенчатую кривую. Такую зависимость называют обычно характеристикой преобразования ЦАП. В отсутствие аппаратных погрешностей средние точки ступенек расположены на идеальной прямой 1 (рис. 3.7), которой соответствует идеальная характеристика преобразования. Реальная характеристика преобразования может существенно отличаться от идеальной размерами и формой ступенек, а также расположением на плоскости координат. Для количественного описания этих различий существует целый ряд параметров.

Рисунок 3.7 - Статическая характеристика преобразования ЦАП

3.3.1 Статические параметры

Разрешающая способность - приращение Uвых при преобразовании смежных значений Dj, т.е. отличающихся на ЕМР. Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования

, (3.7)

где U_пш - номинальное максимальное выходное напряжение ЦАП (напряжение полной шкалы);

N - разрядность ЦАП.

Чем больше разрядность преобразователя, тем выше его разрешающая способность.

Погрешность полной шкалы - относительная разность между реальным и идеальным значениями предела шкалы преобразования при отсутствии смещения нуля.

(3.8)

Является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.

Погрешность смещения нуля - значение выходного напряжения, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:

(3.9)

Нелинейность - максимальное отклонение реальной характеристики преобразования U_вых(D) от оптимальной (линия 2 на рисунке 3.7). Оптимальная характеристика находится эмпирически так, чтобы минимизировать значение погрешности нелинейности. Нелинейность обычно определяется в относительных единицах, но в справочных данных приводится также и в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рисунке 3.7.

(3.10)

Дифференциальная нелинейность - максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования Uвых(D) от оптимальной при переходе от одного значения входного кода к другому смежному значению. Обычно определяется в относительных единицах или в ЕМР. Для характеристики, приведенной на рисунке 3.7.

(3.11)

Монотонность характеристики преобразования - возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП Uвых при возрастании (уменьшении) входного кода D. Если дифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования h/Uпш, то характеристика преобразователя немонотонна.

Температурная нестабильность ЦА-преобразователя характеризуется температурными коэффициентами погрешности полной шкалы и погрешности смещения нуля.

Погрешности полной шкалы и смещения нуля могут быть устранены калибровкой (подстройкой). Погрешности нелинейности простыми средствами устранить нельзя.

3.3.2 Динамические параметры

Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины «все нули» до «все единицы» (рис. 3.8).

Рисунок 3.8 - Переходная характеристика ЦАП

Время установления - интервал времени от момента изменения входного кода (на рис. 3.8) до момента, когда в последний раз выполняется равенство

(3.12)

Скорость нарастания - максимальная скорость изменения Uвых(t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения ДUвых ко времени ф, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У ЦАП с токовым выходом этот параметр в большой степени зависит от типа выходного ОУ.

Для перемножающих ЦАП с выходом в виде напряжения часто указываются частота единичного усиления и мощностная полоса пропускания, которые в основном определяются свойствами выходного усилителя.

3.3.3 Шумы ЦАП

Шум на выходе ЦАП может появляться по различным причинам, вызываемым физическими процессами, происходящими в полупроводниковых устройствах. Для оценки качества ЦАП с высокой разрешающей способностью принято использовать понятие среднеквадратического значения шума. Измеряются обычно в нВ/(Гц)_1/2 в заданной полосе частот.

Выбросы (импульсные помехи) - крутые короткие всплески или провалы в выходном напряжении, возникающие во время смены значений выходного кода за счет несинхронности размыкания и замыкания аналоговых ключей в разных разрядах ЦАП. Например, если при переходе от значения кода 011…111 к значению 100…000 ключ самого старшего разряда ЦА-преобразователя с суммированием весовых токов откроется позже, чем закроются ключи младших разрядов, то на выходе ЦАП некоторое время будет существовать сигнал, соответствующий коду 000…000.

Выбросы характерны для быстродействующих ЦАП, где сведены к минимуму емкости, которые могли бы их сгладить. Радикальным способом подавления выбросов является использование устройств выборки-хранения. Выбросы оцениваются по их площади (в пВ*с).

4. Обзор и анализ АЦП

4.1 Общие сведения

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) являются устройствами, которые принимают входные аналоговые сигналы и генерируют соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами.

По существу аналого-цифровые преобразователи либо преобразуют аналоговый входной сигнал (напряжение или ток) в частоту или последовательность импульсов, длительность которой измеряют для обеспечения отображающего цифрового выходного сигнала, либо, чтобы получить цифровой выходной сигнал, сравнивают входной с переменным опорным сигналом, используя внутренний ЦАП.

Существует три ведущих способа преобразования, основанных на принципе измерения временного интервала: преобразование напряжения в частоту, метод с пилообразным напряжением и метод линейного интегрирования. На методе сравнения базируются схемы последовательного приближения, параллельные и модифицированные параллельные схемы.

АЦП является ключевым узлом промышленных, коммерческих и военных систем, так как он служит устройством сопряжения между аналоговыми и цифровыми системами. Применение интегральных схем уменьшило размеры, увеличило возможности и к тому же снизило стоимость АЦП. В дальнейшем эти достижения расширили практическое применение цифровой аппаратуры во многих областях, таких, как управление производственным процессом, управление летательными аппаратами и телеметрия.

Принципиально не исключена возможность непосредственного преобразования различных физических величин в цифровую форму, однако эту задачу удается решить лишь в редких случаях из-за сложности таких преобразователей. Поэтому в настоящее время наиболее рациональным признается способ преобразования различных по физической природе величин сначала в функционально связанные с ними электрические, а затем уже с помощью преобразователей напряжение-код - в цифровые. Именно эти преобразователи имеют обычно в виду, когда говорят об АЦП.

В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рисунке 4.1 представлена классификация АЦП по методам преобразования.

Рисунок 4.1 - Классификация АЦП

В основу классификации АЦП положен признак, указывающий на то, как во времени разворачивается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедур приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

4.2 Параллельные АЦП

АЦП этого типа осуществляют квантование сигнала одновременно с помощью набора компараторов, включенных параллельно источнику входного сигнала. На рисунке 4.2 показана реализация параллельного метода АЦ-преобразования для 3-разрядного числа.

Рисунок 4.2 - Схема параллельного АЦП

С помощью трех двоичных разрядов можно представить восемь различных чисел, включая нуль. Необходимо, следовательно, семь компараторов. Семь соответствующих эквидистантных опорных напряжений образуются с помощью резистивного делителя.

Если приложенное входное напряжение не выходит за пределы диапазона от ⁵/₂h, до ⁷/₂h, где h=U_оп/7 - квант входного напряжения, соответствующий единице младшего разряда АЦП, то компараторы с 1-го по 3-й устанавливаются в состояние 1, а компараторы с 4-го по 7-й - в состояние 0. Преобразование этой группы кодов в трехзначное двоичное число выполняет логическое устройство, называемое приоритетным шифратором.

Подключение приоритетного шифратора непосредственно к выходу АЦП может привести к ошибочному результату при считывании выходного кода. Рассмотрим, например переход от трех к четырем, или в двоичном коде от 011 к 100. Если старший разряд вследствие меньшего времени задержки изменит свое состояние раньше других разрядов, то временно на выходе возникнет число 111, т.е. семь. Величина ошибки в этом случае составит половину измеряемого диапазона.

Так как результаты АЦ-преобразования записываются, как правило, в запоминающее устройство, существует вероятность получить полностью неверную величину. Решить эту проблему можно, например, с помощью устройства выборки-хранения (УВХ).

При увеличении входного сигнала компараторы устанавливаются в состояние 1 по очереди - снизу вверх. Такая очередность не гарантируется при быстром нарастании входного сигнала, так как из-за различия во временах задержки компараторы могут переключаться в другом порядке. Приоритетное кодирование позволяет избежать ошибки, возможной в этом случае, благодаря тому, что единицы в младших разрядах не принимаются во внимание приоритетным шифратором.

Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь типа МАХ104 позволяет получить 1 млрд. отсчетов в секунду при времени задержки прохождения сигнала не более 1,2 нс. Недостатком этой схемы является высокая сложность. Действительно, N-разрядный параллельный АЦП сдержит 2^N-1 компараторов и 2N согласованных резисторов. Следствием этого является высокая стоимость (сотни долларов США) и значительная потребляемая мощность. Тот же МАХ104, например, потребляет около 4 Вт.

4.3 Последовательно-параллельные АЦП

4.3.1 Многоступенчатые АЦП

В многоступенчатом АЦП процесс преобразования входного сигнала разделен в пространстве. В качестве примера на рисунке 4.3 представлена схема двухступенчатого 8-разрядного АЦП.

Рисунок 4.3 - Структурная схема двухступенчатого АЦП

Верхний по схеме АЦП осуществляет грубое преобразование сигнала в четыре старших разряда выходного кода. Цифровые сигналы с выхода АЦП поступают на выходной регистр и одновременно на вход 4-разрядного быстродействующего ЦАП. Во многих ИМС многоступенчатых АЦП этот ЦАП выполнен по схеме суммирования токов на дифференциальных переключателях, но некоторые содержат ЦАП с суммированием напряжений. Остаток от вычитания выходного напряжения ЦАП из входного напряжения схемы поступает на вход АЦП2, опорное напряжение которого в 16 раз меньше, чем у АЦП1. Как следствие, квант АЦП2 в 16 раз меньше кванта АЦП1. Этот остаток, преобразованный АЦП2 в цифровую форму представляет собой четыре младших разряда выходного кода. Различие между АЦП1 и АЦП2 заключается прежде всего в требовании к точности: у АЦП1 точность должна быть такой же как у 8-разрядного преобразователя, в то время как АЦП2 может иметь точность 4-разрядного.

Грубо приближенная и точная величины должны, естественно, соответствовать одному и тому же входному напряжению. Из-за наличия задержки сигнала в первой ступени возникает, однако, временное запаздывание. Поэтому при использовании этого способа входное напряжение необходимо поддерживать постоянным с помощью устройства выборки-хранения до тех пор, пока не будет получено все число.

4.3.2 Многотактные последовательно-параллельные АЦП

Рассмотрим пример 8-разрядного последовательно-параллельного АЦП, относящегося к типу многотактных (рис. 4.4). Здесь процесс преобразования разделен во времени.

Рисунок 4.4 - Структурная схема двухтактного АЦП

Преобразователь состоит из 4-разрядного параллельного АЦП, квант h которого определяется величиной опорного напряжения, 4-разрядного ЦАП и устройства управления. Если максимальный входной сигнал равен 2,56 В, то в первом такте преобразователь работает с шагом квантования h₁=0,16 В. В это время входной код ЦАП равен нулю. Устройство управления пересылает полученное от АЦП в первом такте слово в четыре старших разряда выходного регистра, подает это слово на вход ЦАП и уменьшает в 16 раз опорное напряжение АЦП. Таким образом, во втором такте шаг квантования h₂=0,01 В и остаток, образовавшийся при вычитании из входного напряжения схемы выходного напряжения ЦАП, будет преобразован в младший полубайт выходного слова.

Очевидно, что используемые в этой схеме 4-разрядные АЦП и ЦАП должны обладать 8-разрядной точностью, в противном случае возможен пропуск кодов, т.е. при монотонном нарастании входного напряжения выходной код АЦП не будет принимать некоторые значения из своей шкалы. Так же, как и в предыдущем преобразователе, входное напряжение многотактного АЦП во время преобразования должно быть неизменным, для чего между его входом и источником входного сигнала следует включить устройство выборки-хранения.

Быстродействие рассмотренного многотактного АЦП определяется полным временем преобразования 4-разрядного АЦП, временем срабатывания цифровых схем управления, временем установления ЦАП с погрешностью, не превышающей 0,2…0,3 кванта 8-разрядного АЦП, причем время преобразования АЦП входит в общее время преобразования дважды. В результате при прочих равных условиях преобразователь такого типа оказывается медленнее двухступенчатого преобразователя, рассмотренного выше. Однако он проще и дешевле. По быстродействию многотактные АЦП занимают промежуточное положение между многоступенчатыми АЦП и АЦП последовательного приближения.

4.3.3 Конвейерные АЦП

Быстродействие многоступенчатого АЦП можно повысить, применив конвейерный принцип многоступенчатой обработки входного сигнала. В обыкновенном многоступенчатом АЦП (рис. 4.5) вначале происходит формирование старших разрядов выходного слова преобразователем АЦП1, а затем идет период установления выходного сигнала ЦАП. На этом интервале АЦП2 простаивает. На втором этапе во время преобразования остатка преобразователем АЦП2 простаивает АЦП1. Введя элементы задержки аналогового и цифрового сигналов между ступенями преобразователя, получим конвейерный АЦП, схема 8-разрядного варианта которого приведена на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 - Структурная схема конвейерного АЦП

Роль аналогового элемента задержки выполняет устройство выборки-хранения УВХ2, а цифрового - четыре D-триггера. Триггеры задерживают передачу старшего полубайта в выходной регистр на один период тактового сигнала CLK.

Конвейерная архитектура позволяет существенно (в несколько раз) повысить максимальную частоту выборок многоступенчатого АЦП. То, что при этом сохраняется суммарная задержка прохождения сигнала, соответствующая обычному многоступенчатому АЦП с равным числом ступеней, не имеет существенного значения, так как время последующей цифровой обработки этих сигналов все равно многократно превосходит эту задержку. За счет этого можно без проигрыша в быстродействии увеличить число ступеней АЦП, понизив разрядность каждой ступени. В свою очередь, увеличение числа ступеней преобразования уменьшает сложность АЦП. Действительно, например, для построения 12-разрядного АЦП из четырех 3-разрядных необходимо 28 компараторов, тогда как его реализация из двух 6-разрядных потребует 126 компараторов.

Конвейерную архитектуру имеет большое количество выпускаемых в настоящее время многоступенчатых АЦП.

4.3.4 АЦП последовательного счета

Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичными приближениями и состоит из компаратора, счетчика и ЦАП (рис. 4.6). На один вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП.

Рисунок 4.6 - Структурная схема АЦП последовательного счета

Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает счетчик, суммирующий число импульсов, поступающих от генератора тактовых импульсов ГТИ. Выходной код счетчика подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи U_ос. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с входным напряжением и переключится компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление тактовых импульсов на счетчик. Переход выхода компаратора из 1 в 0 означает завершение процесса преобразования. Выходной код, пропорциональный входному напряжению в момент окончания преобразования, считывается с выхода счетчика.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_такт равно

(4.1)

Например, при N=10 и f_такт=1 МГц t_{пр.макс}=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц.

Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора. Частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных процессов в них.

При работе без устройства выборки-хранения апертурное время совпадает со временем преобразования. Как следствие, результат преобразования чрезвычайно сильно зависит от пульсаций входного напряжения. При наличии высокочастотных пульсаций среднее значение выходного кода нелинейно зависит от среднего значения входного напряжения. Это означает, что АЦП данного типа без устройства выборки-хранения пригодны для работы с постоянными или медленно изменяющимися напряжениями, которые за время преобразования изменяются не более чем на значение кванта преобразования.

Таким образом, особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации, достигающая нескольких килогерц. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования.

4.3.5 АЦП последовательного приближения

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. В основе работы этого класса преобразователей лежит принцип дихотомии, т.е. последовательного сравнения измеряемой величины с ¹/₂, ¹/₄, ¹/₈ и т.д. от возможного максимального значения ее. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов вместо 2^N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, уже при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз и позволяет получить с помощью таких АЦП до 10⁵…10⁶ преобразований в секунду.