Главная Промышленная автоматика.

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразования

Многие системы оперируют как с линейными, так и с цифровыми данными, и очень трудно назвать систему, которая была бы чисто линейной или чисто цифровой. Даже простые линейные приборы обычно имеют переключение диапазонов, что можно рассматривать как цифровую операцию. Вместе с тем каждая цифровая система имеет один или несколько стабилизаторов напряжения питания, которые являются линейными устройствами. Вследствие этого трудно полностью разделить линейные и цифровые функции, и поэтому как разработчик системы, так и аналитик должны быть знакомы с устройствами обоих типов.

Многие операции могут быть реализованы с использованием как линейных, так и цифровых схем. Разработчик систе--мы, для того чтобы оптимизировать стоимость и характеристики, должен тщательно продумать расчленение системы, противопоставляя преимущества большого ассортимента наличных типовых схем, с одной стороны, и простоту схемной реализации, обеспечиваемую современными дешевыми линейными устройствами, обладающими высокой точностью и гибкостью, - с другой.

В настоящей главе будет рассмотрен ряд новейших интегральных схем, предназначенных для сопряжения линейных и цифровых сигналов. Кроме того, будут проиллюстрированы основные концепции, которые должны приниматься во внимание при включении вышеупомянутых устройств в проектируемые системы, приспособленные для специфических применений.

8.1. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЦИФРА -АНАЛОГ

В системах, использующих цифро-аналоговое преобразование (Ц/А), дискретные разряды информации, представляющие входной сигнал в форме логических единиц и нулей, преобразуются в аналоговый сигнал, уровень которого линейно связан со значением некоторой физической величины. Цифро-аналого-



вые преобрзователи наиболее часто используются для сопряжения между цифровым процессором, таким, как цифровая ЭВМ, и выходным устройством, имеющим линейные характеристики. К устройствам, в которых наиболее часто встречаются цифро-аналоговые преобразователи, относятся:

1. Выходной интерфейс аппаратуры обработки данных; устройства- управления дисплеями, графопостроителями и другими приборами.

2. Программируемый источник питания или генератор функций в аппаратуре автоматического контроля.

3. Аппаратура сопряжения с исполнительными механизмами Б станках цифровым управлением.

4. Интерфейс в системах автоматического управления производственными процессами для регулирования температуры, расхода и других переменных.

5. Цифровая связь: преобразование цифровых сигналов в звуковые.

6. Цепь обратной связи в аналого-цифровых (А/Ц) преобразователях.

Терминология Ц/А-преобразования

Перед тем как перейти к рассмотрению конкретных методов преобразования и примеров его применения, определим некоторые общие термины и параметры, используемые в цифро-аналоговом преобразовании.

Разрешающая способность. Эта величина определяет максимальное число аналоговых выходных уровней и обычно выражается в виде числа входных разрядов, с которыми оперирует преобразователь. Например, 8-разрядный преобразователь будет иметь 2 = 256 возможных выходных уровней (включая нуль). Разрешающую способность не следует путать с точно-ностью, которая иногда тоже выражается числом разрядов.

Точность - мера отклонения аналогового выходного уровня от предсказуемого значения при подаче на вход любой комбинации разрядов. Точность может быть выражена в процентах полной шкалы, в виде числа разрядов (для М разрядов точность равна /г) или в долях младшего значащего разряда (МЗР). Если преобразователь с разрешающей способностью М разрядов имеет точность /г МЭР, возможная ошибка будет равна V2 X /г- Точность может быть выше, ниже или равна разрешающей способности. Вопрос о том, какой из параметров важнее - точность или разрешающая способность, - решается в зависимости от конкретного применения. Возможные ошибки в весах отдельных разрядов могут накапливаться при комбинировании разрядов. Ошибки суммирования весов отдельных разрядов и изменения их за



счет температурных колебаний приводят к снижению точности системы. Для большей наглядности характеристики точности часто подразделяют на линейность, дрейф нуля, температурный коэффициент полной шкалы и т. д. Однако, если в системе не предусмотрены средства для частой автоматической калибровки, абсолютная точность, представляющая собой отклонение выходной в"личины от выходной величины на выходе идеального цифро-аналогового преобразователя при любых входных комбинациях, является лишь умозрительной характеристикой.

Младший значащий разряд (МЗР) - цифровой разряд входа, имеющий самый малый расчетный вес. Иначе говоря, сдвиг аналогового уровня, соответствующий этому разряду, есть наименьший возможный аналоговый шаг.

Старший значащий разряд (СЭР)-цифровой разряд входной величины, имеющий самый большой расчетный вес или сдвиг аналогового уровня, соответствующий этому разряду. В двоичном преобразователе СЭР производит сдвиг выходного уровня на половину полной шкалы.

Время установления - полное время, отсчитываемое с момента изменения цифрового сигнала на входе до момента достижения выходной величиной ее нового значения с ошибкой, лежащей в заданных пределах. Переход от одного уровня к другому не всегда происходит гладко: могут возникать пики и всплески.

Основные методы Ц/А-преобразования

На фиг. 8.1 представлена блок-схема цифро-аналогового преобразователя. Преобразователь воспринимает 3 положительных цифровых разряда на входе и преобразует их в соответствующее аналоговое напряжение. Основными элементами преобразователя являются опорный источник питания, дешифратор Ц/А, содержащий значащие разряды и аналоговые ключи, и резисторный многополюсник.

Каждый цифровой вход (кроме знакового разряда) управляет индивидуальным аналоговым ключом, который в зависимости от логического состояния данного входа либо замыкается, подключая опорный источник питания к соответствующему контакту резисторной схемы, либо остается разомкнутым. Знаковый разряд используется для определения знака преобразуемой величины.

Цифровой регулятор

На фиг. 8.2 показана распространенная цифро-аналоговая система, в которой выходной величиной является положение вала двигателя постоянного тока. Каждому положению вала





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 [106] 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144

0.006