Файл: Лекция 2 по СРВ (Аппаратные средства на нижнем и среднем уровне в СРВ).pdf

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

11 

Рисунок 3 – Функция преобразования АЦП 

Итак, наиболее важные технические характеристики АЦП:  

  входной диапазон (диапазон измеряемых значений тока или напряжения, 

например ±5В);  

  разрядность (количество двоичных разрядов, которыми представляется 

выходное значение, например 16);  

  время преобразования (например, 0.00001 сек). 

Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче 

результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый сигнал 
превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды каждого 
импульса. 

Цифро-аналоговые преобразователи 

Цифро-аналоговые  преобразователи  (ЦАП)  –  устройства,  предназначенные  для 

преобразования  числовой  величины  в  электрический  сигнал  (напряжение  или  ток). 
Свойства и технические характеристики ЦАП аналогичны АЦП. 

Цифро-аналоговый преобразователь 

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. Кроме этого, интегральные микросхемы (ИМС) 
цифро-аналоговых преобразователей классифицируются по следующим признакам 
[

http://www.limi.ru/dacs/dacsindex.htm

]: 

По виду выходного сигнала: 

с токовым выходом; 

выходом в виде напряжения. 

По типу цифрового интерфейса: 

с последовательным вводом; 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

12 

с параллельным вводом входного кода. 

По числу ЦАП на кристалле: 

одноканальные; 

многоканальные. 

По быстродействию: 

умеренного быстродействия; 

высокого быстродействия. 

По разрядности: 

с малым разрешением; 

с высоким разрешением. 

Большинство схем параллельных ЦАП основано на суммировании весовых токов, 

сила каждого из которых пропорциональна весу цифрового двоичного разряда, причем 
должны суммироваться только токи разрядов, значения которых равны 1. Но у таких ЦАП 
есть недостатки. Впрочем, с ними более или менее успешно борются схемотехническими 
решениями. Пример – микросхема AD7520. ЦАП на источниках тока обладают более 
высокой точностью, в отличие от ЦАП с суммирование токов, где весовые токи 
формируются резисторами сравнительно небольшого сопротивления и, как следствие, 
зависят от сопротивления ключей и нагрузки. В данном же случае весовые токи 
обеспечиваются транзисторными источниками тока, имеющими высокое динамическое 
сопротивление. Примеры – микросхемы AD565, AD668 и AD9764. 

Существует несколько способов формирования выходного напряжения для ЦАП с 

суммированием весовых токов. Например, схема с преобразователем тока в напряжение 
на операционном усилителе (ОУ) или с помощью резистора. Примеры – AD565А, 
МАХ531, МАХ542, AD7390. 

Основой параллельных ЦАП на переключаемых конденсаторах является матрица 

конденсаторов, емкости которых соотносятся как целые степени двух. 

На рисунке 1 представлена классификационная схема ЦАП по схемотехническим 

признакам. 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

13 

Рисунок 1 – Классификация ЦАП по схемотехническим признакам 
Основными характеристиками ЦАП являются [

http://www.lcard.ru/lexicon/dac

]: 

Диапазон выходных напряжений. 

Динамический диапазон. 

Выходной ток (или характеристики номинальной нагрузки). 

Полоса частот воспроизведения выходного сигнала. 

Период (частота) преобразования. Для асинхронных ЦАП нормируется время 

преобразования. 

Время установления выходного сигнала. 

Коэффициент нелинейных искажения. 

Погрешность воспроизведения напряжения постоянного и переменного тока. 

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, Pulse-
Width Modulation (PWM)). Схема ЦАП с ШИМ приведена на рисунке 2а. Широтно-
импульсный модулятор – простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или 
напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому 
цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется 
аналоговым фильтром нижних частот (рисунок 2б). Такой способ часто используется для 
управления скоростью вращения электромоторов. 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

14 

а) Схема ЦАП с ШИМ; 

б) Последовательность импульсов на 

выходе ЦАП с ШИМ. 

Рисунок 2 – ЦАП с широтно-импульсной модуляцией 
Наиболее просто организуется цифро-аналоговое преобразование в том случае, 

если микроконтроллер имеет встроенную функцию широтно-импульсного 
преобразования. Контроллер с помощью своего таймера/счетчика формирует 
последовательность импульсов, относительная длительность которых      

 (рисунок 

2б) определяется соотношением: 

(

1) 

где: 

– разрядность преобразования, 

– преобразуемый код. 

Фильтр нижних частот сглаживает импульсы, выделяя среднее значение 

напряжения. В результате выходное напряжение преобразователя: 

(

2) 

где: 

– разрядность преобразования, 

– преобразуемый код, 

– опорное напряжение ЦАП. 

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 рисунке 3, позволяет 
выполнить цифро-аналоговое преобразование за значительно меньшее число тактов. 

Рисунок 3 – Схема последовательного ЦАП на переключаемых конденсаторах 

Ст. преп. каф. ИТАС Фёдоров Андрей Борисович 

версия документа 2018-01-11 

15 

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 D0. Каждый такт преобразования состоит из двух полутактов. 
В первом полутакте конденсатор С

1

 заряжается до опорного напряжения U

оп

 при D0=1 

посредством замыкания ключа S

1

 или разряжается до нуля при D0=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: 

(

3) 

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: 

(

4) 

Точно также выполняется преобразование для остальных разрядов слова. В 

результате для N-разрядного ЦАП выходное напряжение будет равно: 

(

5) 

Если требуется сохранять результат преобразования сколь-нибудь 

продолжительное время, к выходу схемы следует подключить устройство выборки и 
хранения (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. 

Параллельные ЦАП 

ЦАП с суммированием весовых токов 

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