Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo- analogowe

Transkrypt

1 Przetworiki aalogowo-cyfrowe i cyfrowo- aalogowe PRZETWORNIKI C/A Przetworik cyfrowo-aalogowy (ag. Digital-to-Aalog Coverter) jest to układ przetwarzający dyskrety sygał cyfrowy a rówowaŝy mu sygał aalogowy. Przetworik ma wejść i jedo wyjście. Liczba wejść zaleŝy od liczby bitów słowa podawaego a wejście przetworika (p. dla słowa trzybitowego trzy wejścia a 1, a 2, a 3 ). Natomiast a jego wyjściu pojawia się iformacja aalogowa (p. w postaci apięcia). Napięcie a wyjściu przetworika jest proporcjoale do apięcia odiesieia oraz do liczby (bitowe słowo) zapisaej w kodzie dwójkowym. Wartość tego apięcia moŝa obliczyć korzystając ze wzoru: wy a a 1 a2 = ± od + + K ; w którym: od apięcie odiesieia, współczyiki a 1,..., a bity wejściowe przyjmujące wartość 0 lub 1. Bit a 1, jest azyway ajbardziej zaczącym bitem MSB (ag. Most Sigificat Bit), bit a ajmiej zaczącym bitem LSB (ag. Least Sigificat Bit). Zak apięcia wyjściowego zaleŝy od tego, czy przetworik C/A odwraca czy ie odwraca fazy. NajwaŜiejszymi parametrami przetworika C/A są: rozdzielczość ajmiejsza zmiaa sygału wyjściowego = od 2 ; błąd bezwzględy ajwiększa róŝica między zmierzoym apięciem wyjściowym a obliczoym z powyŝszego wzoru; błąd względy stosuek błędu bezwzględego do wartości apięcia odiesieia. Na rysuku 14.1 przedstawioo idealą i rzeczywistą charakterystykę przetworika C/A dla słowa trzybitowego.

2 Rys Charakterystyka przejściowa przetworika C/A. 1 ideala, 2 rzeczywista. Najprostszą kostrukcją przetworika C/A jest układ o przetwarzaiu prądowym. Jest to wzmaciacz sumujący zbudoway z uŝyciem wzmaciacza operacyjego (rys. 14.2a). Napięcie wyjściowe układu ma postać: = R od a a a 1 a K + 2 R 2R 4R 2 R ; wy 1 Jest oo rówe co do modułu spadkowi apięcia a rezystorze łączącym wyjście układu z wejściem odwracającym wzmaciacza operacyjego. Wartość apięcia wyjściowego zaleŝy od wartości prądu płyącego przez te rezystor, regulowaej połoŝeiem przełączików (kluczy). Pozycja lewa przełączika odpowiada wartości 0 daego bitu wejściowego, atomiast pozycja prawa odpowiada wartości l. JeŜeli przełączik jest ustawioy w lewej pozycji, to prąd płyący w tej gałęzi spływa do masy, atomiast jeŝeli jest w prawej pozycji, to prąd te dodaje się do prądu płyącego przez rezystor w pętli sprzęŝeia, powodując zwiększeie spadku apięcia a im, a tym samym zwiększeie (co do modułu) wartości apięcia wyjściowego. Przez rezystory dołączoe do kluczy płyie cały czas taki sam prąd, bez względu a ich pozycję.

3 Rys Przetworik C/A o przetwarzaiu: a)prądowym, b) apięciowym. Modyfikacją tego rozwiązaia jest układ o przetwarzaiu apięciowym pokazay a rys. 14.2b. Działa o a podobej zasadzie. Zmieiając połoŝeie przełączików, ustala się wartość prądu płyącego w pętli sprzęŝeia zwrotego wzmaciacza operacyjego. Gdy przełączik jest dołączoy do źródła apięcia odiesieia, wówczas przez rezystor płyie prąd (jak w układzie z przetwarzaiem prądowym). Gdy atomiast przełączik jest połączoy z masą, przez rezystor ie płyie prąd. Wartość apięcia wyjściowego oblicza się korzystając ze wzoru obowiązującego dla układu z rys. 14.2a. Wadą tego typu przetworików jest koieczość stosowaia rezystorów o zaczie róŝiących się wartościach, p. jeśli dla pierwszego bitu 8-bitowego słowa wejściowego rezystacja wyosi 100 Ω, to dla ostatiego 12,8 Ω. Powoduje to, Ŝe przez rezystor o ajmiejszej wartości płyą względie duŝe prądy, co zaczie zmiejsza iezawodość działaia układu (zwiększa jego awaryjość). Wady tej ie ma przetworik pokazay a rys Składa się o z układu wtórików ( W1, W2, W3), układu sumującego (W4), źródła apięcia odiesieia oraz kluczy aalogowych (P0, P1, P2) sterowaych wejściowym sygałem cyfrowym. stawieie wartości (0 lub 1) bitu słowa sterującego powoduje dołączaie lub odłączaie układu sumującego od źródła apięcia od. Pozycja lewa przełączika odpowiada wartości 0 daego bitu wejściowego, atomiast pozycja prawa odpowiada wartości 1. Wzmaciacze W1, W2 i W3, pracujące jako wtóriki, dają a wyjściu apięcia rówe odpowiedio: połowie, jedej czwartej i jedej ósmej wartości apięcia odiesieia.

4 Rys Przetworik C/A zbudoway z wtórików. Omówimy działaie tego przetworika dla trzech sygałów wejściowych: l. Gdy b 0, b 1, b 2 = 000, wszystkie przełącziki są połączoe z masą, a zatem a wejściu układu sumującego pojawi się apięcie o wartości zero. wy = Gdy b 0, b 1, b 2 = 010, a wejście układu sumującego jest podawae apięcie o od wartości 4 poprzez przełączik P2 oraz apięcie o wartości zero poprzez przełącziki P1 i P3. od wy = Gdy b 0, b 1, b 2 = 111, a wejścia układu sumującego jest podawae apięcie o od wartości 2 od, poprzez przełączik P1, apięcie o wartości 4, poprzez od przełączik P2 oraz apięcie o wartości 8, poprzez przełączik P3. 7 wy = od 8.

5 14.2. PRZETWORNIKI A/C Przetworik aalgowo-cyfrowy (ag. Aalog-to-Digital Coverter) przetwarza sygał aalogowy a odpowiadający mu dyskrety sygał cyfrowy. Jest to układ o jedym wejściu i wyjściach. Otrzymaa w wyiku przetwarzaia liczba dwójkowa jest proporcjoala do wartości aalogowego sygału wejściowego we a a 1 a2 = od + + K Charakterystykę bezpośrediego przetworika A/C przedstawioo a rys Rys Charakterystyka przejściowa przetworika A/C. 1 ideala, 2 rzeczywista. Przetworiki A/C charakteryzują trzy podstawowe parametry: czas kowersji (przetwarzaia) czas, jaki upływa między podaiem sygału wejściowego rozpoczyającego przetwarzaie a pojawieiem się a wyjściu sygału cyfrowego; rozdzielczość defiiowaa tak jak dla przetworika C/A od = 2 ; liczba bitów słowa wyjściowego; ± błąd kwatyzacji ( LSB 2 lub 2 ) odchyłka rzeczywistej charakterystyki schodkowej od charakterystyki idealej.

6 14.3. PODSTAWOWE CZŁONY PRZETWORNIKÓW Źródła apięcia odiesieia. Stabilość apięcia odiesieia decyduje o dokładości i stabilości przetwarzaia. Są to źródła zawierające diody Zeera lub trazystory o temperaturowej kompesacji apięcia baza-emiter. Klucze aalogowe. Ich liczba zaleŝy od rozdzielczości przetworika, tz. od liczby bitów słowa przetwarzaego (przetworiki C/A) lub od liczby bitów słowa wyjściowego (przetworiki A/C). Od parametrów przełączików (rezystacja w staie włączeia i wyłączeia, czas włączeia) zaleŝy szybkość i dokładość działaia układu. Istieje wiele rozwiązań przełączików. Jedo z ich przedstawioo a rys. 14.5a. JeŜeli apięcie wejściowe jest dostateczie małe (miejsze od apięcia progowego), to trazystor T 1 przewodzi, a T 2 jest zablokoway. Rys Schematy kluczy aalogowych Napięcie wyjściowe jest wówczas rówe apięciu zasilaia. Natomiast, jeŝeli apięcie wejściowe jest duŝe (większe od apięcia progowego), to trazystor T 2 przewodzi, a T 1 jest zablokoway. Napięcie wyjściowe jest wówczas rówe zeru (masa układu). Klucz te moŝe zatem słuŝyć do przyłączaia (poprzez swoje wyjście) iego układu do źródła apięcia DD lub do masy (w zaleŝości od wartości apięcia sterującego). Ie rozwiązaie pokazao a rys. 14.5b. kład te pełi fukcję klucza łączącego lub rozłączającego dwa pukty I/O w zaleŝości od wartości apięcia sterującego. Gdy osiąga oa poziom wysoki, bramki trazystorów T 1 i T 2 są tak wysterowae, Ŝe rezystacja widziaa między tymi puktami jest rzędu dziesiątek omów. Natomiast, gdy apięcie sterujące ma poziom iski, tu rezystacja ta jest rzędu megaomów. Trazystory T 1 i T 2 odgrywają rolę sterowaych rezystacji. Wzmaciacze operacyje. W przetworikach są oe stosowae jako stopie separujące, wzmaciające, człoy dodające i odejmujące, itegratory, kowertery prąd-apięcie. Komparatory (w przetworikach A/C). Decydują oe o szybkości i dokładości przetwarzaia. Graiczą liczbę poziomów porówaia w daym

7 zakresie apięć wejściowych determiuje zakres wzmocieia komparatora ( ). kłady cyfrowe (bramki logicze, przerzutiki, licziki, rejestry, pamięci). kłady próbkująco-pamiętające (główie w przetworikach A/C). Ich zadaiem jest pamiętaie wartości chwilowej apięcia wejściowego przez czas potrzeby do pomiaru tego apięcia w przetworiku A/C.