Boit_K__Cifrovaya_yelektronika_BookZZ_or g (773598), страница 59
Текст из файла (страница 59)
Оно подается через транзисторный каскад на резисторы от Яо до Я,. Операционный усилитель работает как усиливающий сумматор. Резисторы Я„служат ограничителями базового тока. Транзисторы работают в инверсном режиме. В этом режиме работы напряжение насыщения коллектор — эмитгер У открытого транзистора очень мало гвг.аав В в В~ аВВИ ЗВф О с в а Рис.
13.4, ЦАП с эмитгсриими 13.1.3. Я/2Я-ЦАП Рис. 13.5. Прииципиавьиаа сас- ма й-2й-ЦАП. и вга ЦАП можно построить с помощью цепочки резисторов. Для такой цепочки требуются только два различных значения сопротивления — 11 и его удвоенный номинал 2г1. Такой ЦАП называется Я/2Я преобразователь. Схема л/2)1-ЦАП показана на рис. 13.5. По схеме (рис. 13.5) трудно понять принцип действия. Поэтому для упрощения рассмотрим схему на рис. 13.б, работающую только с двумя переключателями. Номиналы сопротивлений составляют 1 кОм и 2 кОм, напряжение питания У составляет 12 В.
Схема преобразовывает 2-битовые двоичные сигналы в аналоговые сигналы. При ов = О переключатель связан с землей. При Юв = 1 переключатель связан с У„а. Аналогично для переключателя Юг Если оба переключателя открыты (заземлены), то на выходе появится напряжение У, = О В. Если только переключатель Ю, закрыт, получается схема на рис. 13.8 с общим сопротивлением 3,2 КОм и общим током 1 = 3,75 мА Между точкой Р и землей находится сопротивление 1,2 КОм, на котором падает напряжение 4,5 В. Оно делится между сопротивлениями )1, и г1в.
На гвв падение напряжения составляет 3 В. Если закрыт только переключатель Юр то напряжение У делится пополам. Если оба переключателя закрыты, то получается выходное напряжение 9 В (рис. 13.7). Шаг напряжения У, составляет, таким образом, 3 В. л ~,о ял я ком о 1я в " Рвс. 13.6. Гол-ЦАП лля 2-битовых ситиалов. Рвс. 13.7. Таблица лля схемы с рис. 13.6. Шаг У, получается из количества переключателей и соответственно количества бит. Они рассчитываются уравнением: яя Для схемы на рис. 13.5 оно составляет, следова- тельно: — 0 5В 2" 2' 1б На практике ключи Яе — Я заменяются транзисторными каскадами. Я/2Я-метод особенно хорошо подходит для микросхем. Должны производиться только два различных номинала сопротивлений.
ЦАП производятся преимущественно в виде микросхем. Из-за незначительного энергопотребления ЦАП чаще выпускаются в виде КМОП-микросхем. Рис. 13.8. Схема иа солро тивлеииях. 13.2. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) Аналого-цифровые преобразователи, сокращенно АЦП, преобразуют анало- говые сигналы в соотвествующие цифровые сигналы.
13.2.1. Принцип аналого-цифрового преобразования Цифровой сигнал изменяющейся во времени величины состоит из последовательности чисел. Числа могут представляться в любой системе счисления или коде. На рис. 13.9 представлены десятичные и двоичные числа. Аналоговый сигнал, например сигнал на рис. 13.9, может представляться определенным количеством амплитудных значений. Амплитуда сигнала измеряется, например, каждые 10 мкс. Измеренные цифровые значения будут по очереди сохранены в нужной последовательности.
Все цифровые значения вместе образуют цифровой сигнал. АЦП выдают результат чаще всего в двоичной системе счисления или в двоично-десятичном коде. Амплитуды представляются в определенном масштабе, например в мВ. Если напряжение 4 В должно быть преобразовано с точностью до 1 мВ, требуется 4000 ступеней. Для получения 4000 ступеней напряжения необходимо 12-разрядное двоичное число. Каждое амплитудное значение будет тогда представлено 12 битами.
Точность представления числа зависит от количества бит. Она называется разрешающей способностью АЦП. Разрешающая способность АЦП тем выше, чем больше бит он имеет для отображения результата. Не следует путать разрешающую способность с точностью аналого-цифрового преобразователя.
Точность зависит от правильности выданного результата. АЦП с высоким разрешением, то есть с большим количеством бит, могут быть неточны. Каждый аналого-цифровой преобразователь работает с определенной точностью. Точность показывает, насколько результат преобразования может отличаться от правильной величины в большую и меньшую сторону. При точности от 10-' результат может отклоняться от правильного результата не более чем на 1/1000. Наиболее дорогие АЦП имеют точность 10-'. Изменяющийся во времени аналоговый сигнал должен измеряться с определенной частотой.
Амплитуды должны измеряться и сохраняться каждые 10 мкс или каждую мс. Частота измерения амплитуд должна быть тем выше, чем быстрее изменяется аналоговый сигнал. Частота измерения аналогового сигнала должна быть по меньшей мере в два раза выше несущей частоты аналогового сигнала. Если преобразуется аналоговый звуковой сигнал в частотном диапазоне от 50 Гц до 20 кГц в соответствующий цифровой сигнал, то требуются минимум 40 000 измерений в секунду. Так называемая частота дискретизации составляет 40 кГц. Она может выше, но не меньше. Если она будет меньше, преобразованный сигнал будет искажен.
АЦП производятся в основном в виде микросхем в Х-МОП-технологии. Производство с помощью дискретных элементов экономически нецелесообразно. Схемы в ТТЛ- и ЗСЛ-исполнении из-за высокого энергопотребления применяются только там, где требуется высокая скорость. АЦП характеризуются следующими параметрами: ° разрешающая способность — количество бит; ° тонность — ошибка в % от результата, или % от максимального значения; ° скорость — длительность преобразования; ° напряжение — диапазон от мин. до макс. преобразуемого напряжения. Существует множество различных методов и схем преобразователей. Они будут рассмотрены в следующих разделах.
332. А -~бр г р бр г'лш за 13.2.2. АЦП последовательного счета АЦП последовательного счета оцифровывает аналоговый сигнал линейно- нарастающим эталонным напряжением (пилообразной формы). Передний фронт начинается в отрицательной области напряжения (рис. 13.10). К моменту времени О1, если эталонное напряжение переходит через нуль, запускается двоичный счетчик. Он считает импульсы генератора.
Если напряжение аналогового сигнала достигнет эталонного напряжения (точка Ф), то счетчик остановится. Счетчик считает в течение времени гамп Он измеряет время. Так как пилообразное напряжение растет с заранее определенным углом гг, то можно рассчитать по АГ и углу гг значение амплитуды кл И 1апа = —; лг' Двоичное число, которое показывает счетчик, является значением напряжения и. Частоту генератора импульса можно выбирать так, чтобы счетчик показывал напряжение в требуемых единицах измерения, например в мВ. Максимальное значение пилообразного сигнала определяет максимально возможное значение аналогового сигнала. Если амплитуда пилообразного сигнала равна, например 10 В (рис.
13.10), то могут быть оцифрованы аналоговые напряжения только до максимального значения 10 В. На рис. 13.11 показана принципиальная схема АПП последовательного счета. Пилообразное напряжение подается на две схемы компаратора. На выходе компаратора бинарный сигнал 1 действует только тогда, когда оба входа одинаковы по величине (аналоговый компаратор или компаратор с аналоговыми входами). и ю с ила и и мила е. 13ЛВ.
Оцифровка аналогового сигнала пи- ообрааиым сигналом. ('366 Глава 13. лзафроапааоговый преобразователь, аналогово-пифровой преобразоваптль и„ Рис. 13.11. Структура АЦП по методу пилообразного напряжения. Если пилообразное напряжение имеет отрицательное значение, то на выходе компаратора 2 действует 0-сигнал (1(; = О). Если пилообразное напряжение переходит через линию нуля (точку 1), К, = 1, так как оба входных напряжения равны. На выходе 1 ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ теперь появляется 1-сигнал. И-элемент включает генератор импульсов на счет.
Как только пилообразное напряжение становится равно аналоговому напряжению, компаратор 1 также выдает 1-сигнал (Х, = 1). Теперь г = О. И-элемент блокирует генератор импульсов. Цифровой сигнал счетчика подается в память и далее обрабатывается. Затем он отображается, например, на цифровой индикатор. Точность схемы очень сильно зависит от линейности пилообразного напряжения. АЦП на рис. 13.11 работает только для положительного измеряемого напряжения.
Однако неизвестное аналоговое напряжение можно сложить с постоянным, чтобы поднять его в положительную полуплоскость. После преобразования постоянное напряжение вычитается из результата. Схема на рис. 13.11 может быть изменена таким образом, чтобы было возможно измерять как положительные, так и отрицательные сигналы. 13.2.3. АЦП с двойным интегрированием (0иа! 8!оре) АЦП с двойным интегрироваиием работают в два этапа. Поэтому этот метод также еще называется двухшаговым методом. 13иа1 31оре — английский термин. Он значит «два импульса с разным наклоном». Основным узлом аналого-цифрового преобразователя является интегратор (рис.
13.12). Выходное напряжение интегратора представляет собой два фронта с различным наклоном. На 1-м шаге интегрируется положительное аналоговое напряжение в течение заданного времени ге Конденсатор С интегратора заряжается. На 2-м шаге на вход интегратора подается отрицательное опорное напряжение. Конденсатор С разряжается до нулевого выходного напряжения интегратора. Время, за которое происходит разрядка интегратора до нуля, характеризует величину аналогового напряжения. Это время г,. 13 г. А фр г г б~ ГАИШ ЗВф Рис.
13.12. Интегратор с вводом напряжения во время 1-го н 2-го шагов. В течение времени 1, суммирующий счетчик производит подсчет импульсов. Импульсы поступают с выхода генератора импульсов. По истечении времени г, счетчик показывает бинарную величину. Это значение амплитуды аналогового сигнала, выраженной в цифровой форме. Если аналоговый сигнал преобразуется в двоичный код, то счетчик выбирается двоичным. Счетчик всегда должен считать в коде, в который преобразуется аналоговый сигнал. Из-за принципа двойного интегрирования этот метод называется АЦП с двойным интегрированием.
Блок-схема АЦП с двойным интегрированием представлена на рис. 13.13. Схема управления включает электронный переключатель о. Перед началом процесса преобразования к моменту времени г, переключатель переводится в положение 1. В этом положении он остается в течение времени гг Время г, задается генератором импульсов через делитель частоты. Это четко заданное время, например 100 мкс. В течение времени г, С заряжается через Я. По истечении времени г, электронный переключатель переюпочается в положение 2. Опорное напряжение подается на вход интегратора. Одновременно с выхода элемента И от генератора импульсов начинают поступать импульсы, которые считаются счетчиком.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
