ЦАП и АЦП

Содержание главы:

Цифро-Аналоговые Преобразователи (ЦАП).

Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый (например, для вывода информации из компьютера на графопостороитель, динамик или другой аналоговый прибор) служит цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Простейший ЦАП можно построить на основе суммирующего усилителя, если сопротивления на его входах будут отличаться друг от друга в 2N раз.

На входы поступают сигналы одного уровня (обычно ТТЛ), но ток через резистор меньшего номинала (на рис. - это верхний резистор R) будет протекать - больший. Все токи суммируются в одной точке с разными весовыми коэффициентами. Электронные ключи ki управляются сигналами с цифровой схемы типа регистр. Сигнал со старшего бита двоичного числа будет коммутировать напряжение с помощью ключа k1, а самый младший бит будет управлять ключом k4. Обозначение на схеме данного 4-битного ЦАП показана на том же рисунке справа. Ниже на рисунке вы можете видеть аналогичную конструкцию, состоящую из регистра RG на 8 бит, простейшего ЦАП на ОУ с выходом на высокоомный динамик.

Качество преобразования (например в звуковой сигнал) зависит от точности соответствия уровню аналогового сигнала в данный момент времени то есть от разрядности ЦАП (числа битов) и частоты дискретизации. Например, при максимальном уровне 2.6 В и ЦАП на 8-бит (28=256) точность передачи уровня будет не лучше 2600/256=10 мВ, а в 16-битном ЦАП изменения в самом младшем бите дадут уровень около 2600/65536=40 мкВ. Частота дискретизации зависит от самой верхней частоты в спектре сигнала, который мы хотим иметь на выходе устройства.
Однако повышение разрядности ЦАП ограничено точностью изготовления резисторов больших номиналов. Поэтому чаще используется не простейшая схема, представленная выше, а схема, имеющая в своем составе резисторы только двух номиналов.

Легко показать, что в точке "а" потенциал будет равен Е/2, в точке "б" - Е/4, в точке "в" - Е/8. Электронный ключ, управляеммый сигналом с регистра, в левом (на схеме) положении соответсвует логическому нулю, при этом птенциал Ui на вход ОУ не подается. При логической единице на вход операционного усилителя подается опорное напряжение Е, деленное на соответствующий коэффициент, кратный "2".
В российской системе обозначений ЦАП маркируются как "ПА".

Содержание.

Аналогово-Цифровые Преобразователи (АЦП).

Аналогово-цифровые преобразователи подразделяются на параллельные и последовательные.
Параллельные АЦП имеют более высокое быстродействие, но их трудно сделать многоразрядными. Для примера на рисунке представлен 3-битный АЦП и его передаточная функция.

Опорное напряжение делится на цепочке резисторов. Сравнение полученных напряжений с входным происходит на компараторах. Цифратор (кодер) преобразует полученный код в обычный двоичный код. Как видно на передаточной характеристике (на рисунке, справа), точность преобразования ("оцифровки") зависит от разрядности АПЦ. В данном случае при опорном напряжении 7 В точность преобразования составляет - 1 вольт.

АЦП последовательного типа называют еще счетными. Для преобразование необходимо премя для подсчета импульсов, как показано на рисунке ниже, поэтому они более медленные чем параллельные АЦП.

Тактовые импульсы с генератора поступают на реверсивный счетчик и увеличивают его состояние, если компаратор находится в состоянии логической единицы. На выходе счетчика мы имеем код, соответствующий напряжению на входе АЦП (который является и входом компаратора) - Uвх. Одновременно полученный код поступает на ЦАП, который преобразует его в аналоговый сигнал U0. Этот сигнал U0 сравнивается компаратором с входным сигналом Uвх, если Uвх>U0 в счетчике происходит сложение тактовых импульсов, а при U0>Uвх - вычитание. Такая обратная связь обеспечивает примерное равенство Uвх=U0.

Содержание.

ЦАП и АЦП в микропроцессорных системах

Обычно для ввода/вывода аналоговой информации в компьютер используются специальный адаптеры - внутренние или внешние, у нас на кафедре - это адаптеры НВЛ-03 и НВЛ-08. Блок-схема адаптера НВЛ-03 приведена в главе "Программируемые интегральные микросхемы". Он не имеет собственного ЦАП, но его можно реализовать на основе имеющегося выходного регистра КР1533ИР33 или на микросхеме КР580ВВ55А.

Представленная на рисунке микросхема К572ПА1, реализована как сетка R-2R резисторов с управляющими МОП-ключами. С выходов 2 и 3 снимаются токи, которые должны быть преобразованы в напряжение разностного сигнала с помощью ОУ. Выводы 15 и 16 служат для включения ЦАП в цепь обратной связи операционного усилителя. На вывод 14 ИМС должно быть подано опорное напряжение, например 12 В, которое используется в блоке питания компьютера. Применение второго ОУ обеспечивает двуполярное напряжение на выходе всей схемы. Отметим, что указанное включение данного ЦАП не единствеено возможное. Так как ИМС К572ПА1 - десятиразрядная, а регистр - восьмиразрядный (как и весь адаптер НВЛ-03), то использовано может быть только 8 младших его разрядов.

В отличие от НВЛ-03 адаптер НВЛ-08 - 16-разрядный. Остановимся на нем подробнее. Это устройство обеспечивает преобразование внешних аналоговых и цифровых сигналов в форматы данных ПЭВМ и обратное преобразование данных формата ПЭВМ во внешние аналоговые и цифровые сигналы. Устройство НВЛ-08 выполняет следующие функции: аналого-цифровое преобразование; цифро-аналоговое преобразование; цифровой ввод/вывод.

Блок аналогового ввода обеспечивает согласование внешнего измеряемого напряжения со входным сигналом АЦП и преобразование этого сигнала в цифровой код и передачу кода на шину данных IBM PC AT. Этот блок состоит из аналогового коммутатора, буферного дифференциального усилителя, схемы выборки - хранения, интегрального АЦП, источника опорного напряжения и схемы синхронизации. Блок аналогового вывода обеспечивает преобразование цифровых кодов, передаваемых по шине данных IBM PC AT в аналоговое напряжение. Он состоит из буферного регистра входного кода, интегрального ЦАПа, преобразователя ток - напряжение и источника опорного напряжения. Блок цифрового ввода / вывода обеспечивает прием на шину данных IBM PC AT и буферизированную передачу цифровых сигналов, разрядностью до 8 бит.
Программирование устройства НВЛ-08.
Программно устройство НВЛ-08 представляется в виде ряда адресов регистров в адресном пространстве IBM PC AT. Абсолютный адрес каждого регистра НВЛ-08 складывается из двух составляющих - базового адреса и адреса смещения. С помощью перемычек на плате НВЛ-08 базовый адрес может принимать следующие значения -200h, 220h, 300h. Это позволяет устанавливать НВЛ-08 на любое "свободное" адресное место в IBM PC AT или же устанавливать до трех устройств в одну IBM PC AT. Адреса смещений постоянны.
Программирование цифрового ввода / вывода. Прием байта из буфера цифрового порта осуществляется операцией чтения байта по адресу BASE + 06h, где BASE - базовый адрес (устанавливается при поставке 300h), 06h -смещение. Таким образом, адрес регистра порта цифрового ввода равен 300h + 06h = 306h. Запись байта в буфер порта цифрового вывода осуществляется операцией записи байта по адресу BASE + 06h. (Информация в этом буфере будет храниться до следующей операции записи по указанному адресу).
Программирование аналогового выхода. Выходное напряжение ЦАПа устройства НВЛ-08 при настройке устанав-ливается таким образом, что максимальный размах напряжений равен +/- 5.12 В., причем минимальному напряжению -5.12 В. соответствует код 0000h, запи-санный по адресу BASE + 04h (вывод 9 внешнего разъeма устройства НВЛ-08), а напряжению +5.12 В соответствует код 0FFFh, записанный по тому же адресу. Код слова ЦАПа записывается в буферные регистры и храниться там до следующей операции вывода.
Программирование АЦП. К программированию АЦП относятся следующие операции:

Программное управление входным коммутатором осуществляется путем записи в регистр номера канала по адресу BASE + 02h байта с кодом номера канала, напряжение на входе которого надо измерить. В устройстве НВЛ-08 предусмотрен программный режим запуска АЦП. Для этого необходимо записать любое число по адресу BASE +00h. Действительное значение кода АЦП, соответствующее измеряемому напряжению формируется в буферном регистре с адресом BASE+ 00h только после выполнения определённой последовательности действий

Окончание цикла преобразования АЦП может быть зафиксировано тремя способами

Код АЦП - 12 разрядный. Он размещается с нулевого по 11 разряд шины данных. На 12 разряд выведен сигнал готовности, который сразу после запуска равен лог. "1", а после окончания цикла преобразования этот разряд устанавли-вается в состояние лог. "0". На 13 разряд выведен сигнал перегрузки по входу . Если 13 разряд равен лог. 1 то это означает, что входной сигнал во время преоб-разования превышал входной диапазон АЦП. Разряды 14 - 15 не используются и их необходимо принудительно обнулять после приема кода АЦП.

Содержание.

Самоконтроль по теме
test