4.4. Преобразователи информации

В настоящее время для обработки информации и управления различными технологическими процессами широко используются ЭВМ. Первичная информация с датчиков сигналов чаще всего поступает в ЭВМ в аналоговой форме. Поскольку прием, обработка и выдача информации в ЭВМ происходит в цифровой форме, то возникает необходимость создания устройств, осуществляющих преобразование информации из цифровой формы в аналоговую, - цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), и наоборот, из аналоговой формы в цифровую – аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и компараторов.

4.4.1. Компараторы

Компаратор – это простейший преобразователь непрерывного (аналогового) сигнала в дискретный (цифровой). Для работы в качестве компаратора может с успехом использоваться обычный операционный усилитель (ОУ), приведенный на рис. 4.42. Напряжение на выходе такого компаратора может принимать два фиксированных значения: высокое, если напряжение на инвертирующем входе ОУ меньше напряжения на неинвертирующем входе, и низкое – при обратном соотношении этих напряжений.

Однако компараторы, специально разработанные для преобразования непрерывных сигналов в дискретные, имеют ряд преимуществ в сравнении с обычными ОУ. Прежде всего, компараторы переключаются гораздо быстрее, чем ОУ. При проектировании компараторов специально предусматриваются меры, обеспечивающие быстрый выход усилительных каскадов из режима насыщения. Схемы компараторов схожи со схемами операционных усилителей, но обычно проще их. Компараторы не предназначены для работы в схемах с отрицательной обратной связью (ООС). Поэтому в компараторах нет необходимости обеспечивать линейность участка амплитудной характеристики между уровнями ограничения, и не

предусматриваются корректирующие цепи, устраняющие самовозбуждение при введении ООС. В отличие от ОУ выходной сигнал компаратора обычно изменяется в пределах, позволяющих производить непосредственное управление логическими интегральными схемами. Компараторы могут иметь также дополнительные стробирующие входы, изменяя потенциал которых, можно включать компаратор в работу или выключать его.

4.4.2. Цифро-аналоговые преобразователи

В интегральных ЦАП входным сигналом чаще всего является двоичный позиционный код, а выходным – напряжение постоянного тока. Цифро-аналоговое преобразование состоит в суммировании эталонных значений напряжения, соответствующих разрядам входного кода, причем в суммировании будут участвовать только те эталоны, для которых в соответствующих разрядах стоит 1. Структурная схема ЦАП в общем виде показана на рис. 4.43.

Для ЦАП выходное напряжение определяется из выражения

,

где - опорное (эталонное) значение напряжения; - коэффициенты двоичных разрядов, принимающих значения 0 или 1 начиная со старшего.

Основными параметрами ЦАП являются:

1. Разрешающая способность, определяемая количеством двоичных разрядов n входного кода и характеризующаяся возможным количеством уровней аналогового сигнала N=2ⁿ;

2.Точность, определяемая наибольшим значением отклонения аналогового сигнала от расчетного. Она обычно выражается в виде половины уровня сигнала, соответствующего младшему значащему разряду (МЗР). Суммарная ошибка, вносимая элементами ЦАП, не должна превышать указанную погрешность квантования;

3. Нелинейность, характеризующаяся максимальным отклонением линейно-нарастающего выходного напряжения от прямой линии, соединяющей точки нуля и максимального выходного напряжения (обычно не выше значения МЗР);

4. Время преобразования (установления), определяемое интервалом от момента подачи цифрового сигнала до момента достижения выходным сигналом установившегося значения.

Как правило, ЦАП содержит: резистивную матрицу, с помощью которой формируются выходные сигналы, пропорциональные входному коду; набор токовых ключей, реализующих коэффициенты двоичных разрядов; источник опорного стабилизированного напряжения и выходной усилитель .

Резистивная матрица может иметь различную структуру. Один из ее вариантов с весовыми резисторами показан на рис. 4.44.

Здесь каждому разряду соответствует свой разрядный ток I₁, I₂, …, I_n. Эти токи задаются с помощью матрицы резисторов, сопротивления которых удваиваются при переходе от старшего разряда к младшему (т.е. I₂=I₁/2 и т.д.). Основной недостаток рассмотренной структуры – широкий диапазон сопротивлений и их высокая требуемая точность, особенно при большом числе разрядов входного кода. Другой вариант резистивной матрицы типа R-2R, получивший широкое распространение, показан на рис. 4.45. Здесь используются резисторы только двух номиналов. Не трудно показать, что при переходе от старшего разряда к младшему ток уменьшается в два раза, как и в схеме, показанной на рис. 4.44.

Т

оковые ключи, предназначенные для коммутации элементов резистивной матрицы, должны иметь высокое быстродействие и не вносить заметных погрешностей в разрядные токи (иметь малое сопротивление в открытом состоянии). Обычно ключи строятся на биполярных или полевых транзисторах. Вариант ключа на МДП-транзисторах с индуцированным каналом приведен на рис. 4.46.

При подаче на вход ключа сигнала транзистор Т₁ закрыт, а транзистор Т₂ открыт и закорачивает разрядный ток матрицы на землю. При поступлении на вход ключа сигнала транзистор Т₂ закрывается а транзистор Т₁ открывается и разрядный ток матрицы поступает на общую сигнальную шину.

Выходным усилителем обычно служит операционный усилитель, который суммирует разрядные токи и преобразует их в напряжение. Напряжение на выходе ОУ пропорционально входному коду. Для схемы ЦАП, приведенной на рис. 45. , выходное напряжение равно

.