Напряжение на выходе цап по коду. Цифро-аналоговый преобразователь: описание, принцип работы, применение
Министерство образования и науки Украины
Одесская национальная морская академия
Кафедра морской электроники
по дисциплине «Системы сбора и обработки телеметрической информации»
«Цифро-аналоговые преобразователи»
Выполнил:
к-т ФЭМ и РЭ
группы 3131
Струков С.М.
Проверил: ст. преподаватель
Куделькин И.Н.
Одесса – 2007
1. Введение
2. Общие сведения
3. Последовательные ЦАП
4. Параллельные ЦАП
5. Применение ЦАП
6. Параметры ЦАП
7. Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в отрасли народного хозяйства средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).
Современный этап характеризуется больших и сверхбольших интегральных схем ЦАП и АЦП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение БИС ЦАП и АЦП единым, функционально законченным блоком сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.
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 рис. 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим признакам. Кроме этого, ИМС цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам:
o По виду выходного сигнала: с токовым выходом и выходом в виде напряжения.
o По типу цифрового интерфейса: с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода.
o По числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные.
o По быстродействию: умеренного и высокого быстродействия.
Рис. 1. Классификация ЦАП
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ЦАП
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). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рис. 1а.
Рис. 1. ЦАП с широтно-импульсной модуляцией
Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного преобразования (например, AT90S8515 фирмы Atmel или 87С51GB фирмы Intel). Выход ШИМ управляет ключом S . В зависимости от заданной разрядности преобразования (для контроллера AT90S8515 возможны режимы 8, 9 и 10 бит) контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует последовательность импульсов, относительная длительность которых g =t и /Т определяется соотношением
где N - разрядность преобразования, а D - преобразуемый код. Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя
Рассмотренная схема обеспечивает почти идеальную линейность преобразования, не содержит прецизионных элементов (за исключением источника опорного напряжения). Основной ее недостаток - низкое быстродействие.
Последовательный ЦАП на переключаемых конденсаторах
Рассмотренная выше схема 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). Схема последовательного ЦАП, приведенная на рис. 2, позволяет выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов.
В этой схеме емкости конденсаторов С 1 и С 2 равны. Перед началом цикла преобразования конденсатор С 2 разряжается ключом S 4 . Входное двоичное слово задается в виде последовательного кода. Его преобразование осуществляется последовательно, начиная с младшего разряда d 0 . Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. В первом полутакте конденсатор С 1 заряжается до опорного напряжения U оп при d 0 =1 посредством замыкания ключа S 1 или разряжается до нуля при d 0 =0 путем замыкания ключа S 2 . Во втором полутакте при разомкнутых ключах S 1 , S 2 и S 4 замыкается ключ S 3 , что вызывает деление заряда пополам между С 1 и С 2 . В результате получаем
U 1 (0)=U вых (0)=(d 0 /2)U оп
Пока на конденсаторе С 2 сохраняется заряд, процедура заряда конденсатора С 1 должна быть повторена для следующего разряда d 1 входного слова. После нового цикла перезарядки напряжение на конденсаторах будет
Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В результате для N -разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно
Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь продолжительное время, к выходу схемы следует подключить УВХ. После окончания цикла преобразования следует провести цикл выборки, перевести УВХ в режим хранения и вновь начать преобразование.
Таким образом, представленная схема выполняет преобразование входного кода за 2N квантов, что значительно меньше, чем у ЦАП с ШИМ. Здесь требуется только два согласованных конденсатора небольшой емкости. Конфигурация аналоговой части схемы не зависит от разрядности преобразуемого кода. Однако по быстродействию последовательный ЦАП значительно уступает параллельным цифро-аналоговым преобразователям, что ограничивает область его применения.
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. Пусть, например, требуется преобразовать двоичный четырехразрядный код в аналоговый сигнал тока. У четвертого, старшего значащего разряда (СЗР) вес будет равен 2 3 =8, у третьего разряда - 2 2 =4, у второго - 2 1 =2 и у младшего (МЗР) - 2 0 =1. Если вес МЗР I МЗР =1 мА, то I СЗР =8 мА, а максимальный выходной ток преобразователя I вых.макс =15 мА и соответствует коду 1111 2 . Понятно, что коду 1001 2 , например, будет соответствовать I вых =9 мА и т.д. Следовательно, требуется построить схему, обеспечивающую генерацию и коммутацию по заданным законам точных весовых токов. Простейшая схема, реализующая указанный принцип, приведена на рис. 3.
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
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
Из этого условия следует, что разброс сопротивления резистора, например, в четвертом разряде не должен превышать 3%, а в 10-м разряде - 0,05% и т.д.
Рассмотренная схема при всей ее простоте обладает целым букетом недостатков. Во-первых, при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это повлияет на величину выходного напряжения ИОН. Во-вторых, значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, а это делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых ИМС. Кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов в многоразрядных ЦАП может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутого ключа, а это приведет к погрешности преобразования. В-третьих, в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.
Эти недостатки устранены в схеме ЦАП AD7520 (отечественный аналог 572ПА1), разработанном фирмой Analog Devices в 1973 году, которая в настоящее время является по существу промышленным стандартом (по ней выполнены многие серийные модели ЦАП). Указанная схема представлена на рис. 4. В качестве ключей здесь используются МОП-транзисторы.
В этой статье рассмотрены основные вопросы, касающиеся принципа действия АЦП различных типов. При этом некоторые важные теоретические выкладки, касающиеся математического описания аналого-цифрового преобразования остались за рамками статьи, но приведены ссылки, по которым заинтересованный читатель сможет найти более глубокое рассмотрение теоретических аспектов работы АЦП. Таким образом, статья касается в большей степени понимания общих принципов функционирования АЦП, чем теоретического анализа их работы.
Введение
В качестве отправной точки дадим определение аналого-цифровому преобразованию. Аналого-цифровое преобразование – это процесс преобразования входной физической величины в ее числовое представление. Аналого-цифровой преобразователь – устройство, выполняющее такое преобразование. Формально, входной величиной АЦП может быть любая физическая величина – напряжение, ток, сопротивление, емкость, частота следования импульсов, угол поворота вала и т.п. Однако, для определенности, в дальнейшем под АЦП мы будем понимать исключительно преобразователи напряжение-код.
Понятие аналого-цифрового преобразования тесно связано с понятием измерения. Под измерением понимается процесс сравнения измеряемой величины с некоторым эталоном, при аналого-цифровом преобразовании происходит сравнение входной величины с некоторой опорной величиной (как правило, с опорным напряжением). Таким образом, аналого-цифровое преобразование может рассматриваться как измерение значения входного сигнала, и к нему применимы все понятия метрологии, такие, как погрешности измерения.
Основные характеристики АЦП
АЦП имеет множество характеристик, из которых основными можно назвать частоту преобразования и разрядность. Частота преобразования обычно выражается в отсчетах в секунду (samples per second, SPS), разрядность – в битах. Современные АЦП могут иметь разрядность до 24 бит и скорость преобразования до единиц GSPS (конечно, не одновременно). Чем выше скорость и разрядность, тем труднее получить требуемые характеристики, тем дороже и сложнее преобразователь. Скорость преобразования и разрядность связаны друг с другом определенным образом, и мы можем повысить эффективную разрядность преобразования, пожертвовав скоростью.
Типы АЦП
Существует множество типов АЦП, однако в рамках данной статьи мы ограничимся рассмотрением только следующих типов:
- АЦП параллельного преобразования (прямого преобразования, flash ADC)
- АЦП последовательного приближения (SAR ADC)
- дельта-сигма АЦП (АЦП с балансировкой заряда)
Наибольшим быстродействием и самой низкой разрядностью обладают АЦП прямого (параллельного) преобразования. Например, АЦП параллельного преобразования TLC5540 фирмы Texas Instruments обладает быстродействием 40MSPS при разрядности всего 8 бит. АЦП данного типа могут иметь скорость преобразования до 1 GSPS. Здесь можно отметить, что еще большим быстродействием обладают конвейерные АЦП (pipelined ADC), однако они являются комбинацией нескольких АЦП с меньшим быстродействием и их рассмотрение выходит за рамки данной статьи.
Среднюю нишу в ряду разрядность-скорость занимают АЦП последовательного приближения. Типичными значениями является разрядность 12-18 бит при частоте преобразования 100KSPS-1MSPS.
Наибольшей точности достигают сигма-дельта АЦП, имеющие разрядность до 24 бит включительно и скорость от единиц SPS до единиц KSPS.
Еще одним типом АЦП, который находил применение в недавнем прошлом, является интегрирующий АЦП. Интегрирующие АЦП в настоящее время практически полностью вытеснены другими типами АЦП, но могут встретиться в старых измерительных приборах.
АЦП прямого преобразования
АЦП прямого преобразования получили широкое распространение в 1960-1970 годах, и стали производиться в виде интегральных схем в 1980-х. Они часто используются в составе «конвейерных» АЦП (в данной статье не рассматриваются), и имеют разрядность 6-8 бит при скорости до 1 GSPS.
Архитектура АЦП прямого преобразования изображена на рис. 1
Рис. 1. Структурная схема АЦП прямого преобразования
Принцип действия АЦП предельно прост: входной сигнал поступает одновременно на все «плюсовые» входы компараторов, а на «минусовые» подается ряд напряжений, получаемых из опорного путем деления резисторами R. Для схемы на рис. 1 этот ряд будет таким: (1/16, 3/16, 5/16, 7/16, 9/16, 11/16, 13/16) Uref, где Uref – опорное напряжение АЦП.
Пусть на вход АЦП подается напряжение, равное 1/2 Uref. Тогда сработают первые 4 компаратора (если считать снизу), и на их выходах появятся логические единицы. Приоритетный шифратор (priority encoder) сформирует из «столбца» единиц двоичный код, который фиксируется выходным регистром.
Теперь становятся понятны достоинства и недостатки такого преобразователя. Все компараторы работают параллельно, время задержки схемы равно времени задержки в одном компараторе плюс время задержки в шифраторе. Компаратор и шифратор можно сделать очень быстрыми, в итоге вся схема имеет очень высокое быстродействие.
Но для получения N разрядов нужно 2^N компараторов (и сложность шифратора тоже растет как 2^N). Схема на рис. 1. содержит 8 компараторов и имеет 3 разряда, для получения 8 разрядов нужно уже 256 компараторов, для 10 разрядов – 1024 компаратора, для 24-битного АЦП их понадобилось бы свыше 16 млн. Однако таких высот техника еще не достигла.
АЦП последовательного приближения
Аналого-цифровой преобразователь последовательного приближения (SAR, Successive Approximation Register) измеряет величину входного сигнала, осуществляя ряд последовательных «взвешиваний», то есть сравнений величины входного напряжения с рядом величин, генерируемых следующим образом:
1. на первом шаге на выходе встроенного цифро-аналогового преобразователя устанавливается величина, равная 1/2Uref (здесь и далее мы предполагаем, что сигнал находится в интервале (0 – Uref).
2. если сигнал больше этой величины, то он сравнивается с напряжением, лежащим посередине оставшегося интервала, т.е., в данном случае, 3/4Uref. Если сигнал меньше установленного уровня, то следующее сравнение будет производиться с меньшей половиной оставшегося интервала (т.е. с уровнем 1/4Uref).
3. Шаг 2 повторяется N раз. Таким образом, N сравнений («взвешиваний») порождает N бит результата.
Рис. 2. Структурная схема АЦП последовательного приближения.
Таким образом, АЦП последовательного приближения состоит из следующих узлов:
1. Компаратор. Он сравнивает входную величину и текущее значение «весового» напряжения (на рис. 2. обозначен треугольником).
2. Цифро-аналоговый преобразователь (Digital to Analog Converter, DAC). Он генерирует «весовое» значение напряжения на основе поступающего на вход цифрового кода.
3. Регистр последовательного приближения (Successive Approximation Register, SAR). Он осуществляет алгоритм последовательного приближения, генерируя текущее значение кода, подающегося на вход ЦАП. По его названию названа вся данная архитектура АЦП.
4. Схема выборки-хранения (Sample/Hold, S/H). Для работы данного АЦП принципиально важно, чтобы входное напряжение сохраняло неизменную величину в течение всего цикла преобразования. Однако «реальные» сигналы имеют свойство изменяться во времени. Схема выборки-хранения «запоминает» текущее значение аналогового сигнала, и сохраняет его неизменным на протяжении всего цикла работы устройства.
Достоинством устройства является относительно высокая скорость преобразования: время преобразования N-битного АЦП составляет N тактов. Точность преобразования ограничена точностью внутреннего ЦАП и может составлять 16-18 бит (сейчас стали появляться и 24-битные SAR ADC, например, AD7766 и AD7767).
Дельта-сигма АЦП
И, наконец, самый интересный тип АЦП – сигма-дельта АЦП, иногда называемый в литературе АЦП с балансировкой заряда. Структурная схема сигма-дельта АЦП приведена на рис. 3.
Рис.3. Структурная схема сигма-дельта АЦП.
Принцип действия данного АЦП несколько более сложен, чем у других типов АЦП. Его суть в том, что входное напряжение сравнивается со значением напряжения, накопленным интегратором. На вход интегратора подаются импульсы положительной или отрицательной полярности, в зависимости от результата сравнения. Таким образом, данный АЦП представляет собой простую следящую систему: напряжение на выходе интегратора «отслеживает» входное напряжение (рис. 4). Результатом работы данной схемы является поток нулей и единиц на выходе компаратора, который затем пропускается через цифровой ФНЧ, в результате получается N-битный результат. ФНЧ на рис. 3. Объединен с «дециматором», устройством, снижающим частоту следования отсчетов путем их «прореживания».
Рис. 4. Сигма-дельта АЦП как следящая система
Ради строгости изложения, нужно сказать, что на рис. 3 изображена структурная схема сигма-дельта АЦП первого порядка. Сигма-дельта АЦП второго порядка имеет два интегратора и две петли обратной связи, но здесь рассматриваться не будет. Интересующиеся данной темой могут обратиться к .
На рис. 5 показаны сигналы в АЦП при нулевом уровне на входе (сверху) и при уровне Vref/2 (снизу).
Рис. 5. Сигналы в АЦП при разных уровнях сигнала на входе.
Теперь, не углубляясь в сложный математический анализ, попробуем понять, почему сигма-дельта АЦП обладают очень низким уровнем собственных шумов.
Рассмотрим структурную схему сигма-дельта модулятора, изображенную на рис. 3, и представим ее в таком виде (рис. 6):
Рис. 6. Структурная схема сигма-дельта модулятора
Здесь компаратор представлен как сумматор, который суммирует непрерывный полезный сигнал и шум квантования.
Пусть интегратор имеет передаточную функцию 1/s. Тогда, представив полезный сигнал как X(s), выход сигма-дельта модулятора как Y(s), а шум квантования как E(s), получаем передаточную функцию АЦП:
Y(s) = X(s)/(s+1) + E(s)s/(s+1)
То есть, фактически сигма-дельта модулятор является фильтром низких частот (1/(s+1)) для полезного сигнала, и фильтром высоких частот (s/(s+1)) для шума, причем оба фильтра имеют одинаковую частоту среза. Шум, сосредоточенный в высокочастотной области спектра, легко удаляется цифровым ФНЧ, который стоит после модулятора.
Рис. 7. Явление «вытеснения» шума в высокочастотную часть спектра
Однако следует понимать, что это чрезвычайно упрощенное объяснение явления вытеснения шума (noise shaping) в сигма-дельта АЦП.
Итак, основным достоинством сигма-дельта АЦП является высокая точность, обусловленная крайне низким уровнем собственного шума. Однако для достижения высокой точности нужно, чтобы частота среза цифрового фильтра была как можно ниже, во много раз меньше частоты работы сигма-дельта модулятора. Поэтому сигма-дельта АЦП имеют низкую скорость преобразования.
Они могут использоваться в аудиотехнике, однако основное применение находят в промышленной автоматике для преобразования сигналов датчиков, в измерительных приборах, и в других приложениях, где требуется высокая точность. но не требуется высокой скорости.
Немного истории
Самым старым упоминанием АЦП в истории является, вероятно, патент Paul M. Rainey, «Facsimile Telegraph System,» U.S. Patent 1,608,527, Filed July 20, 1921, Issued November 30, 1926. Изображенное в патенте устройство фактически является 5-битным АЦП прямого преобразования.
Рис. 8. Первый патент на АЦП
Рис. 9. АЦП прямого преобразования (1975 г.)
Устройство, изображенное на рисунке, представляет собой АЦП прямого преобразования MOD-4100 производства Computer Labs, 1975 года выпуска, собранный на основе дискретных компараторов. Компараторов 16 штук (они расположены полукругом, для того, чтобы уравнять задержку распространения сигнала до каждого компаратора), следовательно, АЦП имеет разрядность всего 4 бита. Скорость преобразования 100 MSPS, потребляемая мощность 14 ватт.
На следующем рисунке изображена продвинутая версия АЦП прямого преобразования.
Рис. 10. АЦП прямого преобразования (1970 г.)
Устройство VHS-630 1970 года выпуска, произведенное фирмой Computer Labs, содержало 64 компаратора, имело разрядность 6 бит, скорость 30MSPS и потребляло 100 ватт (версия 1975 года VHS-675 имела скорость 75 MSPS и потребление 130 ватт).
Литература
W. Kester. ADC Architectures I: The Flash Converter. Analog Devices, MT-020 Tutorial.
Цифро-аналоговые преобразователи имеют статические и динамические характеристики.
Статические характеристики ЦАП
Основными статическими характеристиками ЦАП, являются:
· разрешающая способность;
· нелинейность;
· дифференциальная нелинейность;
· монотонность;
· коэффициент преобразования;
· абсолютная погрешности полной шкалы;
· относительная погрешности полной шкалы;
· смещение нуля;
· абсолютная погрешность
Разрешающая способность – это приращение U ВЫХ при преобразовании смежных значений D j , т.е. отличающихся на единицу младшего разряда (ЕМР). Это приращение является шагом квантования. Для двоичных кодов преобразования номинальное значение шага квантования
h = U ПШ /(2 N – 1),
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, т.е.
Является мультипликативной составляющей полной погрешности. Иногда указывается соответствующим числом ЕМР.
Погрешность смещения нуля – значение U ВЫХ, когда входной код ЦАП равен нулю. Является аддитивной составляющей полной погрешности. Обычно указывается в милливольтах или в процентах от полной шкалы:
Нелинейность – максимальное отклонение реальной характеристики преобразования U ВЫХ (D) от оптимальной (рис. 5.2, линия 2). 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 рис. 5.2,
Дифференциальная нелинейность – максимальное изменение (с учетом знака) отклонения реальной характеристики преобразования U ВЫХ (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 рис. 5.2,
Монотонность характеристики преобразования – возрастание (уменьшение) выходного напряжения ЦАП (U ВЫХ) при возрастании (уменьшении) входного кода D . Если дифференциальная нелинейность больше относительного шага квантования h/U ПШ, то характеристика преобразователя немонотонна.
Температурная нестабильность ЦАП 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.
Динамические характеристики ЦАП
К динамическим характеристик ам ЦАП относятся время установления и время преобразования.
При последовательном возрастании значений входного цифрового сигнала D(t) от 0 до (2 N – 1) через единицу младшего разряда 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 (см. рис. 5.2), 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.
Динамические параметры ЦАП определяются по изменению выходного сигнала при скачкообразном изменении входного кода, обычно от величины «все нули» до «все единицы» (рис. 5.3).
Время установления
– интервал времени от момента измене
ния входного кода (рис. 5.3, t = 0) до момента, когда в последний раз выполняется равенство:
|U ВЫХ – U ПШ | = d/2,
причем d/2 обычно соответствует ЕМР.
Скорость нарастания – максимальная скорость изменения U ВЫХ (t) во время переходного процесса. Определяется как отношение приращения D U ВЫХ ко времени Dt, за которое произошло это приращение. Обычно указывается в технических характеристиках ЦАП с выходным сигналом в виде напряжения. У цифро-аналоговых преобразователей 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.
На рисунке 5.4 приведены два способа линеаризации, из которых следует, что способ линеаризации для получения минимального значения D л, показанный на рис. 5.4, б, позволяет уменьшить погрешность D л вдвое по сравнению с методом линеаризации по граничным точкам (рис. 5.4, а).
Для цифро-аналоговых преобразователей с n двоичными разрядами в идеальном случае (при отсутствии погрешностей преобразования) аналоговый выход U ВЫХ соотносится с входным двоичным числом следующим образом:
U ВЫХ = U ОП (a 1 2 -1 + a 2 2 -2 +…+ a n 2 -n),
где U ОП – опорное напряжение ЦАП (от встроенного или внешнего источника).
Так как ∑ 2 -i = 1 – 2 -n , то при всех включенных разрядах выходное напряжение ЦАП равно:
U ВЫХ (a 1 …a n) = U ОП (1 – 2 -n) = (U ОП /2 n) (2 n – 1) = D (2 n – 1) = U ПШ,
где U ПШ – напряжение полной шкалы.
Таким образом, при включении всех разрядов выходное напряжение цифро-аналогового преобразователя, которое в этом случае образует U ПШ, отличается от значения опорного напряжения (U ОП) на величину младшего разряда преобразователя (D), определяемого как
D = U ОП /2 n .
При включении какого-либо i-го разряда выходное напряжение ЦАП определится из соотношения:
U ВЫХ /a i = U ОП 2 -i .
Цифро-аналоговый преобразователь преобразует цифровой двоичный код Q 4 Q 3 Q 2 Q 1 в аналоговую величину, обычно напряжение U ВЫХ. или ток I ВЫХ. Каждый разряд двоичного кода имеет определенный вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i-1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:
U ВЫХ = e (Q 1 · 1 + Q 2 ·2 + Q 3 ·4 + Q 4 ·8 +…),
где e – напряжение, соответствующее весу младшего разряда, Q i – значение i -го разряда двоичного кода (0 или 1).
Например, числу 1001 соответствует:
U ВЫХ = е (1 ·1 + 0 ·2 + 0 ·4 + 1 · = 9 ·e,
а числу 1100 соответствует
U ВЫХ = e (0 ·1 + 0 ·2 + 1 ·4 + 1 · = 12 ·e.
Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для автоматического преобразования (декодирования) входных величин, представленных числовыми кодами, в соответствующие им значения непрерывно изменяющихся во времени (т.е. аналоговых) величин. Иными словами, ЦАП выполняет обратное по сравнению с АЦП преобразование. Выходные физические величины АЦП чаще всего представляют собой электрические напряжения и токи, но могут быть также временными интервалами, угловыми перемещениями и т. п. В системе автоматики с ЭВМ удобнее обрабатывать (преобразовывать и передавать) цифровой сигнал, но человеку (оператору) привычнее и удобнее воспринимать аналоговые сигналы, соответствующие значениям числовых кодов. С помощью АЦП информация вводится в ЭВМ, а с помощью ЦАП она выводится из ЭВМ для воздействия на управляемый объект и восприятия человеком.
В схемах ЦАП обычно используется представление двоичного числа, состоящего из нескольких разрядов, в виде суммы степеней числа 2. Каждый разряд (если в нем записана единица) преобразуется в аналоговый сигнал, пропорциональный числу 2 в степени, равной номеру разряда, уменьшенному на единицу.
На рис. 4.38 показана простая схема ЦАП, основу которой составляет резистивная матрица - набор резисторов, которые подключаются ко входу операционного усилителя ключами, управляемыми соответствующими разрядами двоичного числа. В качестве ключей могут быть использованы триоды (например МОП-транзисторы). Если в данном разряде записана 1, то ключ замкнут, если 0 - разомкнут.
Необходимость использования операционного усилителя обусловлена тем, что в ЦАП выходной сигнал является аналоговым. И входной, и выходной сигналы операционного усилителя представляют собой напряжения постоянного (в смысле неизменной полярности) тока.
Коэффициент передачи операционного усилителя равен отношению сопротивления резистора R
о.с в цепи обратной связи к сопротивлению резистора на входе усилителя, которое, как видно из рис. 4.38, для каждого разряда имеет свое значение. Коэффициенты передачи K
= - U
вых /U
оп по каждому разряду преобразуемого двоичного числа (если в этом разряде записана 1) соответственно равны: K
0 = R
о.с /R
0 ; K
1 = 2R
о.с /R
0 ; K
2 = 4R
о.с /R
0 ;
K
3 = 8R
о.с /R
0 . Выходное напряжение ЦАП
U вых = - U оп (K 3 + K 2 + K 1 + K 0) =
= - U оп (R о.с /R 0)(8x 3 + 4x 2 + 2x 1 + x 0),
где х принимает значение 1 или 0 в зависимости от того, что записано в данном разряде двоичного числа.
Рис. 4.38. Схема цифроаналогового
преобразователя на базе резистивной матрицы
Таким образом, четырехразрядное двоичное число преобразуется в напряжение U вых,которое может принимать 16 возможных значений от 0 до 15Du кв, где Du кв - шаг квантования.
Для уменьшения погрешности квантования необходимо увеличивать число двоичных разрядов ЦАП. При изготовлении интегральных микросхем ЦАП по данной схеме очень трудно сделать высокоточные резисторы с сопротивлениями, отличающимися друг от друга в десятки и сотни раз. Кроме того, нагрузка источника опорного напряжения U оп изменяется в зависимости от состояния ключей, поэтому необходимо применять источник с малым внутренним сопротивлением.
Схема ЦАП, показанная на рис. 4.39, свободна от указанных недостатков. В ней весовые коэффициенты каждого разряда задаются последовательным делением опорного напряжения с помощью резистивной матрицы типа R- 2R ,представляющей собой многозвенный делитель напряжения.
В данной схеме ЦАП используются двухпозиционные ключи , которые подсоединяют резисторы 2R либо ко входу операционного усилителя (при 1 в данном разряде), либо к общему нулевому проводу. Входное сопротивление резистивной матрицы при этом не зависит от положения ключей. Коэффициент передачи между соседними узловыми точками матрицы составляет 0,5. Выходное напряжение
U вых = - U оп (R /16R )(x 1 + 2x 2 + 4x 3 + 8x 4).
Рис. 4.39. Схема цифроаналогового преобразователя
на базе резистивной матрицы R-2R
Наибольшее влияние на погрешность ЦАП оказывают отклонения сопротивлений резисторов от их номинальных значений, а также то, что у реального ключа сопротивление в закрытом состоянии не равно бесконечности, а в открытом - не равно нулю. Выпускаемые резистивные матрицы имеют относительную погрешность около сотых долей процента, т.е. являются очень точными.
4.5.2. Аналого-цифровые преобразователи параллельного кодирования
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) предназначен для автоматического преобразования (измерения и кодирования) непрерывно изменяющихся во времени (т.е. аналоговых) величин в соответствующие значения числовых кодов. В данном случае под словом «цифра» понимается двоичный код. Когда говорят о цифровой звукозаписывающей и воспроизводящей аппаратуре или о цифровой телефонии, то подразумевают, что непрерывно изменяющийся звуковой сигнал записывается или передается оцифрованным, т.е. в виде двоичных (бинарных) кодов.
В зависимости от способа преобразования АЦП подразделяют на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.
Наиболее быстродействующими являются АЦП параллельного типа. Преобразование аналогового сигнала в код в них осуществляется за один шаг, но такие АЦП требуют нескольких компараторов. Входное напряжение одновременно сравнивается во всех компараторах с несколькими опорными напряжениями. Параллельные АЦП имеют большее число элементов, чем последовательные.
Рассмотрим работу параллельного трехразрядного
АЦП (рис. 4.40).
Рис. 4.40. Схема параллельного трехразрядного АЦП
Тремя двоичными разрядами можно представить восемь чисел - от 0 до 7. Поэтому используются семь компараторов для сравнения входного напряжения с опорными напряжениями, получаемыми с помощью резисторного делителя . От каждого компаратора поступает сигнал 0, если входное напряжение меньше опорного, и 1 - в противном случае.
Состояния компараторов и соответствующие им двоичные коды представлены в табл. 4.12. Преобразователь кода выдает двоичное трехразрядное число. Время преобразования параллельных АЦП может составлять несколько десятков наносекунд, что в сотни раз быстрее, чем у последовательных АЦП.
Таблица 4.12
Зависимость цифрового кода от входного напряжения
| Относительное значение входного напряжения U = U вх /U оп | Состояние компараторов | Двоичный код-число | ||||||||
| U < 0,5 | ||||||||||
| 0,5 £ U < 1,5 | ||||||||||
| 1,5 £ U < 2 ,5 | ||||||||||
| 2,5 £ U < 3,5 | ||||||||||
| 3,5 £ U < 4,5 | ||||||||||
| 4,5 £ U < 5 ,5 | ||||||||||
| 5,5 £ U<6 ,5 | ||||||||||
| 6,5 £ U |
4.5.3. Аналого-цифровые преобразователи последовательного кодирования
На рис. 4.41 показана схема АЦП последовательного типа.
Рис. 4.41. Схема аналого-цифрового
преобразователя последовательного типа
По команде «Пуск» цифровой автомат ЦА вырабатывает последовательность двоичных чисел, которые поступают на вход цифро-аналогового преобразователя ЦАП, вырабатывающего напряжение U цап, соответствующее каждому входному двоичному сигналу. Это напряжение (непрерывно растущее, пока работает ЦА )подается на один из входов компаратора K , на другой вход которого поступает входное напряжение U вх.Компаратор сравнивает эти два напряжения и выдает сигнал при их равенстве. По этому сигналу ЦА останавливается, а на его выходе фиксируется двоичный код, соответствующий U вх.Таким образом, преобразование в последовательном АЦП происходит в ступенчатом режиме. Выходное значение отдельными шагами (тактами), т.е. последовательно, приближается к измеряемому значению. Поэтому последовательные АЦП на каждое преобразование аналогового сигнала затрачивают много времени. Для повышения их быстродействия используется метод поразрядного уравновешивания. Иллюстрирующая этот метод схема показана на рис. 4.42.
Рис. 4.42. Схема аналого-цифрового преобразователя
с поразрядным уравновешиванием
Роль цифрового автомата выполняет регистр Рг с датчиком тактовых импульсов ДТИ . Считывание выходного кода происходит по сигналу схемы готовности данных СГД ,который подается при поступлении сигнала от компаратора K о равенстве входного напряжения U вх и напряжения U цап. Работа компаратора синхронизирована импульсами ДТИ .Эти же импульсы последовательно переводят разряды регистра Рг в состояние 1. Перевод начинается со старшего разряда, а младшие остаются в состоянии 0. При этом ЦАП вырабатывает соответствующее напряжение, которое сравнивается в компараторе K с входным. Если U цап > U вх,то по команде компаратора старший разряд сбрасывается в состояние 0; если U цап < U m ,то в старшем разряде остается 1. Затем в состояние 1 переводится следующий по старшинству разряд Рг и снова производится сравнение напряжений U цап и U вх.Цикл повторяется до тех пор, пока не будет зафиксировано равенство указанных напряжений при переводе в состояние 1 какого-то из младших разрядов. После этого СГД подает сигнал о выдаче выходного кода. Число циклов сравнения в таком АЦП будет равно числу разрядов выходного кода.
4.6. Программируемые логические матрицы и интегральные схемы
В организации ПЗУ и программируемых логических матриц (ПЛМ) много общего. Выявим общий подход в построении этих схем на примере.
Предположим, что необходимо построить устройство, которое обеспечивает выдачу сигнала на выходе Y1
при поступлении на вход кодов 000, 001; на выходе Y2
при кодах 010, 100, 110; на выходе Y3
при кодах 011, 101, 110, 111. Подаваемые на вход устройства коды можно рассматривать как коды адреса одноразрядных ячеек ПЗУ, из которых считываемые единицы через элемент ИЛИ поступают на один из выходов Y i
. Рассмотрим взаимосвязь между адресами и данными - функциями
(табл. 4.13).
На рис. 4.43, а представлена схема ПЗУ, состоящая из дешифратора адреса на логических элементах и запоминающих элементов в виде диодно-резистивных схем, в цепи которых включены перемычки. Переменные Х3 , Х2 , X1 рассматриваются как коды адресов различных ячеек памяти. Из табл. 4.13 видно, что в дешифраторе при определенных адресах возбуждаются соответствующие выходные шины, которые должны быть объединены на одном из выходов схемы: Y1 , Y2 , Y3 . Элементы ИЛИ, с помощью которых формируются сигналы Y i , представляют собой неполный шифратор.
Таблица 4.13
Таблица истинности дешифратора
| Адрес | Входы | Выходы | ||||
| Х3 | Х2 | XI | Y1 | Y2 | Y3 | |
| А0 A1 А2 A3 А4 А5 А6 А7 |
На рис. 4.43, б представлена та же схема ПЗУ в виде двух матриц. Матрица А1 представляет собой полный линейный дешифратор на восемь выходов. Каждая вертикальная линия в А1 соответствует элементу И с тремя входами, на каждом из которых реализовано одно из сочетаний входных переменных Х3 , Х2 , X1 . Матрица А2 представляет собой неполный шифратор.
Рис. 4.43. Матрица ПЗУ, как основа ПЛМ
Каждая горизонтальная линия в А2 соответствует восьмивходовому элементу ИЛИ. О формировании необходимых сигналов на каждом из его входов говорит точка в месте пересечения вертикальной линии матрицы А1 и горизонтальной линии матрицы А2 .
Схемы, приведенные на рис. 4.43 могут быть реализованы в виде комбинационной схемы на ПЛМ (рис. 4.44).
Рис. 4.44. Комбинационная схема на ПЛМ
Сравнивая две схемы, выполняющие одни и те же функции (см. рис. 4.43, б и 4.44), видим, что схема, реализованная в виде ПЛМ, проще. Матрица А1 в ПЗУ - это полный, жестко программируемый дешифратор, в матрице ПЛМ - это программируемые под функции минтермы. Затраты на оборудование принято определять площадью полупроводникового кристалла , занимаемого схемой. Таким образом, схемы, выполненные на ПЛМ, обеспечивают большую степень интеграции и тем самым расширяют функциональные возможности микросхемы.
ГЛАВА 5.
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИКИ
5.1. Микропроцессоры в системах автоматизации текстильного производства
Цифровые микросхемы к настоящему времени достигли большого быстродействия при приемлемом токе потребления. Наиболее быстрые из цифровых микросхем обладают скоростью переключения порядка 3 - 5 нс. В этих микросхемах потребляемый ток прямо пропорционален скорости переключения логических вентилей в микросхеме.
Ещё одной причиной широкого распространения микропроцессоров стало то, что микропроцессор - это универсальная микросхема, которая может выполнять практически любые функции. Универсальность обеспечивает широкий спрос на эти микросхемы, а значит массовость производства. Стоимость же микросхем обратно пропорциональна массовости их производства, то есть микропроцессоры становятся дешёвыми микросхемами и тем самым ещё больше увеличивают спрос.
В наибольшей степени все вышеперечисленные свойства проявляются в однокристальных микроЭВМ или как их чаще называют по области применения: микроконтроллерах. В микроконтроллерах на одном кристалле объединяются все составные части компьютера: микропроцессор (часто называют ядро микроконтроллера), ОЗУ, ПЗУ, таймеры и порты ввода-вывода.
При переходе к комплексной автоматизации технологий текстильного производства и появлении средств для ее реализации в виде специализированных микропроцессорных подсистем управления (МПСУ) возник вопрос о многосвязанном регулировании ряда параметров . Это потребовало решения вопросов идентификации технологических процессов, их взаимосвязи и управляемости по параметрам, предлагаемым технологами в качестве регламентированных. С помощью МПСУ при комплексной автоматизации текстильных производств могут решаться следующие основные задачи.
1. Информационно-измерительные, обеспечивающие сбор обширной информации; помехозащищенность; необходимую обработку статистических данных, программную коррекцию погрешностей измерений, автоматическую диагностику и само-калибровку системы измерений. При этом программируемая логика работы МПСУ обеспечивает гибкость перенастройки и позволяет наращивать функции системы при модернизации без существенных схемных изменений.
2. Регулирование технологических параметров и режимов работы оборудования, позволяющих поддерживать регламентированные технологами параметры на заданном значении или изменять их для выполнения условий оптимизации в системах многосвязанного регулирования, быстродействия по времени, энергетических и качественных показателей. В любом случае качество регулирования определяется достоверностью измерений и получаемой информации.
3. Управление режимами работы технологического оборудования и средствами робототехники, реализуемыми преимущественно в виде автооператоров или автоманипуляторов, выполняющих операции, например, загрузки и разгрузки кип волокна, сновальных валиков и ткацких навоев, съема и установки бобин на шпулярники и прядильные машины, заправки патронами прядильных мест, присучки лент и узловязание и др.
Координация работы всех средств управления технологическим оборудованием, включая регулирование потоков сигналов во времени и пространстве, их обработку, осуществляется центральным устройством управления. Современные устройства центрального управления являются электронными и подразделяются на универсальные с использованием микроЭВМ и на специализированные с использованием микроконтроллеров, микропроцессоров и логических схем.
Применение принципа программного управления в системах автоматического управления и сбора данных о состоянии систем в сочетании с микропроцессорами существенно увеличило их функциональные возможности, обеспечило большую гибкость, уменьшило стоимость и габариты, повысило надежность, устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды и другие эксплуатационные характеристики.
Микропроцессоры и микроконтроллеры на их основе нашли широкое применение в цифровых измерительных приборах и системах, что упростило ввод и выдачу данных, предупредительных сигналов или команд на дисплей, а также автоматическое масштабирование данных параметров. Микропроцессоры могут обеспечить самопроверку и самокалибровку, проверку согласованности данных, связь с микроЭВМ или приборами, управляемыми ЭВМ, и автоматическое усреднение показаний. Однако микропроцессоры и микроконтроллеры на их основе имеют меньший объем стандартного программного обеспечения, номенклатуру периферийных устройств и возможности интерфейса, чем микроЭВМ.
Микропроцессоры нашли также применение в терминалах, сетях микроЭВМ, модулях коммутации сообщений, ретрансляторах, системах накопления передачи данных, кодирующих и декодирующих устройствах, портативных системах связи, охраны и модемах.
Микропроцессоры используются в системных блоках микро-ЭВМ , контроллерах ввода-вывода и других периферийных устройствах. Микроконтроллеры в периферийных устройствах позволяют выполнять многие задачи на периферии, разгружая центральный процессор для выполнения других задач.
Микропроцессоры, микроконтроллеры и микро-ЭВМ находят применение в текстильном оборудовании: в системах контроля данных, установках контроля качества, автоматических взвешивающих и дозирующих системах, контроля узлов/машин, определения степени скручиваемости, контроллерах, управляющих отдельными операциями, например, натяжением нитей, лент, тканей и т.п., устройствах сортировки, погрузочно-разгрузочных устройствах, терминалах и устройствах автоматической диагностики.
Следует отметить, что при управлении технологическими процессорами текстильной промышленности относительно большое число регулируемых параметров и сложность алгоритмов управления требуют применение мощных микроЭВМ. Микропроцессоры находят применение в распределенных системах, в которых реализуются алгоритмы управления объектами на местах и готовятся данные для микроЭВМ, что повышает надежность систем в условиях производственных помех.
В новейших моделях микропроцессоров операционная система полностью или частично реализуется аппаратными средствами на основе флэш-памяти , что оптимизирует процесс управления промышленными объектами.
ЦАП – цифро-аналоговые преобразователи – устройства, предназначенные для преобразования дискретного (цифрового) сигнала в непрерывный (аналоговый) сигнал. Преобразование производится пропорционально двоичному коду сигнала.
Классификация ЦАП
По виду выходного сигнала : с токовым выходом и выходом в виде напряжения;
По типу цифрового интерфейса : с последовательным вводом и с параллельным вводом входного кода;
По числу ЦАП на кристалле : одноканальные и многоканальные;
По быстродействию : умеренного быстродействия и высокого быстродействия.
Основные параметры ЦАП:
1. N – разрядность.
2. Максимальный выходной ток.
4. Величина опорного напряжения.
5. Разрешающая способность.
6. Уровни управляющего напряжения (ТТЛ или КМОП).
7. Погрешности преобразования (погрешность смещения нуля на выходе, абсолютная погрешность преобразования, нелинейность преобразования, дифференциальная нелинейность). 8. Время преобразования – интервал времени с момента предъявления (подачи) кода до момента появления выходного сигнала.
9. Время установления аналогового сигнала
Основными элементами ЦАП служат:
Резистивные матрицы (набор делителей с определенным ТКС, с определенным отклонением 2%, 5% и менее) могут быть встроены в ИМС;
Ключи (на биполярных или МОП-транзисторах);
Источник опорного напряжения.
Основные схемы построения ЦАП.
21. Ацп. Общие положения. Частота дискретизации. Классификация ацп. Принцип работы ацп параллельного действия.
По быстродействию АЦП делят на:
1. АЦП параллельного преобразования (параллельные АЦП) – быстродействующие АЦП, имеют сложное аппаратное использование единицы ГГц.разрешение N = 8-12 бит, Fg = десятки МГц
2. АЦП последовательного приближения (последовательного счета) до 10МГц.разрешение N = 10-16 бит, Fg = десятки кГц
3. Интегрирующие АЦП сотни Гц.разрешение N = 16-24 бит, Fg = десятки
4. Сигма-дельта АЦП единицы МГц.разрешение N = 16-24 бит, Fg = сотни Гц
22. Ацп последовательного счета. Принцип действия.
23.
АЦП последовательных приближений.
Принцип действия.
Этот
код с выхода РПП подается на ЦАП, который
выдает соответствующее напряжение
3/4Uвхmах, которое сравнивается с Uвх (на
СС) и результат записывается в тот же
разряд четвертым тактовым импульсом.
Далее процесс продолжается до тех пор,
пока не будут проанализированы все
разряды.
Время преобразования АЦП последовательного приближения:
tпр = 2nTG, где TG – период следования импульсов генератора; n – разрядность АЦП.
Такие АЦП уступают по быстродействию АЦП параллельного типа, однако они более дешевые и потребляют меньшую мощность. Пример: 1113ПВ1.
24. Принцип работы ацп интегрирующего типа.
В основе принципа работы интегрирующего АЦП лежат два основных принципа:
1. Преобразование входного напряжения в частоту или в длительность (время) импульсов
Uвх → f (ПНЧ – преобразователь напряжение-частота)
2. Преобразование частоты или длительности (времени) в цифровой код
f → N; T→ N.
Основную погрешность вносят ПНЧ.
АЦП данного типа осуществляют преобразование в два этапа.
На первом этапе входной аналоговый сигнал интегрируетися и это проинтегрированное значение преобразуется в импульсную последовательность. Частота следования импульсов в этой последовательности или их длительность бывает промодулирована проинтегрированным значением входного сигнала.
На втором этапе эта последовательность импульсов преобразуется в цифровой код - измеряется ее частота или длительность импульсов.
