Аналогово-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП), служат для преобразования непрерывно изменяющегося напряжения y = f (t) (аналогового значения) в двоичные цифровые коды. Обратное преобразование из цифрового кода в эквивалентное напряжение осуществляют с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП).

АЦП необходимы при обработке информации на ЭВМ, так как информация, с которой оперирует ЭВМ, должна быть в двоичной цифровой форме, а исходные данные от датчиков и других периферийных устройств обычно поступают в аналоговой форме в виде изменений токов или напряжений.

Процесс аналогово-цифрового преобразования включает в себя следующие стадии:

дискретизацию (разбиение, квантование) функции во времени (выбор интервала квантования и проведение измерений сигнала через равные интервалы времени);

квантование сигнала по уровню (выбор интервала квантования по уровню и разбиение диапазона измерений по уровням);

кодирование (преобразование значения функции в двоичный цифровой код).

Минимальный интервал дискретизации определяют исходя из теоремы Котельникова: D t = 1/(2 f в), где f в— верхняя, значимая частота.

Операция дискретизации заключается в определении числовых значений функции y = f (t) в моменты времени t 1, t 2, t 3, ѕ …, tn через интервал D t. В результате дискретизации получают набор значений функции f (t 1), f (t 2), ѕ, f (tn) с шагом дискретизации D t.

Операция квантования по уровню заключается в выборе интервала квантования D Y и разбиении диапазона измерений по уровням от f min(t 1) до f max(t 1). В некоторых АЦП предусмотрены устройства квантования (квантизаторы), учитывающие предельные значения функции. Обычные АЦП изготовляют с учетом того, что на их вход подается ТТЛ-сигнал уровня ±5 В (или уровня питания операционных усилителей ±15 В), и этот интервал разбивается с учетом разрядности кода на выходе АЦП. В простейших АЦП применяется восьмиразрядный код, обеспечивающий точность измерения 0,4% и 256 уровней градаций. Таким образом, для диапа­зона ±5 В интервал квантования D Y составляет 2,12×10-2В, а для диапазона ±15 В — 6,36×10-2В. Эти значения и будут определять методическую погрешность, возникающую при квантовании сигнала.

Заключительным этапом аналогово-цифрового преобразования является определение уровня напряжения сигнала и формирование соответствующего двоичного цифрового кода.

АЦП на основе преобразования напряжение—частота

Преобразователи напряжение—частота формируют импульсы, частота которых пропорциональна входному напряжению, и широко используются при необходимости перехода от аналогового сигнала (напряжения) к цифровому, выражаемому числом импульсов в единицу времени. Принцип определения состоит в том, что для определения двоичного кода, соответствующего напряжению на входе АЦП, происходит подсчет числа импульсов за определенный интервал времени двоичным счетчиком. Чем больше напряжение на входе АЦП, тем чаще идут импульсы и больше число на выходе счетчика.

Передача сигналов от датчиков на большие расстояния также предпочтительнее в частотной форме, так как она более помехоустойчива.

АЦП последовательного счета

В АЦП последовательного счета используется двоичный счетчик для подсчета импульсов от генератора тактовых импульсов. Результат счетчика преобразуется в напряжение с помощью ЦАП, которое сравнивают в компараторе с цифруемым напряжением. Когда они сравняются, двоичный код счетчика, является цифровым эквивалентом напряжения на выходе ЦАП, а, следовательно, и напряжения U вхна входе АЦП.

АЦП рассмотренного типа используются довольно широко, так как обладают достаточно высоким быстродействием при относительно простой структуре. Современные восьмиразрядные АЦП имеют достаточно высокую скорость и обеспечивают преобразование радиосигналов с часто­той до 10 МГц. Существуют также сверхбыстродействующие четырехразрядные АЦП на квантовых интегрально-оптиче­ских устройствах, позволяющие обрабатывать сигналы с частотой до 1 ГГц.

Цифроаналоговые преобразователи ( ЦАП) осуществляют действие обратное АЦП, т.е. преобразуют цифровой двоичный код в соответствующее значение напряжения. Такое преобразование необходимо, например, для восстановления звука из цифровой записи на диске. Применяется оно и для восстановления изображения на дисплее ЭВМ или экране телевизора при использовании каналов цифрового телевидения.

Электрические схемы ЦАП реализуют в виде интегральных схем с набором сопротивлений. Схема с ре­зи­­сторами веса включает набор электронных ключей соответствующих двоичному коду и мгновенно формирует напряжение на выходе.