Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи

Преобразователи электрических сигналов - вспомогательные ус­тройства систем управления, предназначенные для согласования элементов системы управления без изменения количества инфор­мации, содержащегося в преобразуемом сигнале. Преобразователь переводит сигнал постоянного тока в переменный (модулятор) и обратно (демодулятор), масштабирует сигнал (усилитель).

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) осуществляет преоб­разование аналоговых, способных непрерывно меняться по уров­ню электрических сигналов вида U(t) в цифровую форму - пос­ледовательность двоичных кодов Х, выдаваемых на выход через заданные промежутки времени. Например, выходное напряжение тензометрического неравновесного моста предварительно усили­вается, фильтруется и преобразуется в АЦП в форму, удобную для ввода в управляющую ЭВМ.

По сигналам от таймера, приходящим на микросхему АЦП через заданные промежутки времени Δt, АЦП считывает входное аналоговое напряжение и кодирует его совокупностью двоичных разрядов или битов - двоичным кодом, т. е. происходит дискре­тизация сигнала по времени (рис. 3.42, а, б).

Наиболее распространены 12-разрядные АЦП, преобразующие напряжение в диапазоне от -5,12 до +5,12 В в 12-битовое дво­ичное число. Двенадцать битов позволяют кодировать натураль­ные числа в интервале от 0 до 4095 (если все биты равны 0, то число равно 0, если все биты равны 1, то число равно 4095) или целые числа со знаком от -2048 до +2047. Диапазон напряжений ± 5,12 В разбивается на 4096 интервалов, каждому из которых ставится в соответствие целое число. Входное напряжение округ­ляется до ближайшего из 4096 уровней - середин интервалов, и в качестве выходного сигнала выдается целый код этого уровня (рис. 3.42, в).

Чувствительность АЦП (минимальное приращение входного сигнала, вызывающее изменение выходного сигнала) будет равно величине интервала разбиения и составит 10,24В/4096 = 2,5 мВ.

Возможна работа АЦП по принципу округления входного напряжения до ближайшего снизу уровня, когда чувствительность остается той же, но добавляется систематическая погрешность сдвига нуля вниз на половину интервала, т. е. на 1,25 мВ.

Время преобразования или быстродействие АЦП - это интервал времени от начала преобразования входного напряжения до появления на выходе АЦП (выходном регистре, состоящем из 12 триггеров и доступном для чтения другим микросхемам) соответствующего кода. Обратная величина составляет максимальную теоретическую частоту преобразования данного АЦП.

Обычные, широко распространенные АЦП имеют время преобразования около 2 мкс (от 1 до 10 мкс) и частоту преобразован около 500 кГц, но выпускаются и АЦП с частотой преобразован до 500 МГц. Реальная частота оцифровки аналогового сигнала меньше теоретической в 2 и более раз вследствие потерь времени на передачу сигнала на микросхему АЦП, запоминание кода с АЦП выходном регистре и т. д.

Точность аналогового преобразования определяется не только разрядностью АЦП, но и реальным диапазоном изменения входного сигнала. Так, если реальный сигнал предварительно усилен до диапазона ±5,12 В, то приведенная погрешность преобразования составит о =(0,0025 В/5,12 В)100 %= 0,05%.

Если реальный сигнал меняется в пределах ± 1 В, то приведен­ная погрешность составит соответственно 0,0025 В/ 1 В= 0,25%.

Поэтому для повышения точности преобразования в АЦП сиг­нал нужно предварительно масштабировать до диапазона измене­ния ±5,12 В. Кроме того, и сам АЦП производит преобразование с погрешностями, характерными для любого преобразователя: ад­дитивной погрешностью нуля (погрешностью сдвига), мультипли­кативной погрешностью чувствительности (погрешностью усиле­ния), погрешностью вследствие нелинейности характеристикипреобразователя.

Характерной для АЦП является погрешность из-за дифферен­циальной нелинейности - отклонения реальных уровней дискре­тизации (рис. 3.42, в) от теоретических, или, другими словами, отклонение изменения входного сигнала, приводящего к смене выходного кода, от чувствительности.

Важным показателем АЦП является уровень шума, проявляю­щийся в спонтанных изменениях значений младших разрядов вы­ходного регистра при постоянном входном напряжении. Наличие шума фактически уменьшает так называемую эффективную раз­рядность и реальную чувствительность АЦП на число разрядов, в которых проявляется этот эффект.

Обычно эффективная разрядность падает с ростом частоты преобразования. Так как время преобразования невелико, для оп­роса нескольких датчиков обычно используют один АЦП, под­ключаемый к нужным каналам коммутатором, или мультиплек­сором.

Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для пре­образования дискретного по времени и уровню обычно 12-раз­рядного двоичного кода в непрерывный по времени и по уров­ню выходной сигнал. Другими словами, на вход ЦАП периоди­чески поступают числа в интервале от -2048 до +204'7, кодиру­ющие выходное напряжение в интервале, например, от -5,12 до +5,12 В.

Цифроаналоговый преобразователь в основном применяется для преобразования сигнала от цифрового регулятора в аналоговую форму изменяющегося по времени напряжения, используе­мого большинством электро-, гидро- и пневмоприводов в каче­стве управляющего сигнала. ЦАП расшифровывает код и выдает соответствующее напряжение на выход. Как правило, ЦАП до­полняется экстраполятором, запоминающим и поддерживающим неизменное напряжение, соответствующее входному коду ЦАП, до подачи нового входного кода. Выходное напряжение экстра­полятора меняется обычно только в момент прихода на ЦАП Нового кода.

Существуют системы, в которых один ЦАП работает совместно с несколькими экстраполяторами, подключаясь к ним через коммутатор и корректируя их выходное напряжение, однако часто при небольшом числе управляемых каналов и низкой стоимости микросхем каждому ЦАП соответствует свой экстраполятор.

Как правило, ЦАП не порождает погрешностей квантования, но остальные виды общих погрешностей присущи и этим преобразователям и составляют в сумме обычно не более 1%. Характеристикой быстродействия ЦАП является время установления - интервал времени между моментом изменения входного кода и моментом стабилизации выходного аналогового сигнала. Время установления обычных ЦАП составляет 2...15 мкс. ,