Przetworniki cyfrowo analogowe oraz analogowo - cyfrowe
Przetworniki cyfrowo / analogowe W cyfrowych systemach pomiarowych często zachodzi konieczność zmiany sygnału cyfrowego na analogowy, np. w celu wytworzenia napięcia polaryzującego elektrody w polarografii. Rolę tę spełniają przetworniki cyfrowo analogowe. Przetwornik cyfrowo / analogowy układ, który na podstawie wejściowego słowa binarnego kodowego A i analogowego sygnału odniesienia R (w postaci napięcia odniesienia lub prądu odniesienia I ref ) wytwarza analogowy sygnał wyjściowy S RL(A), gdzie L(A) jest liczbą reprezentowaną przez wejściowe słowo kodowe A. Sygnał wyjściowy ma najczęściej charakter napięciowy lub prądowy. Podstawowe, interesujące eksperymentatora parametry przetwornika C/A to: - N - rozdzielczość przetwornika (długość słowa kodowego) - U FS - zakres przetwornika unipolarnego (wartość maksymalna) - Q - krok kwantowania (najmniejszy skok sygnału wyjściowego) - 2 N - liczba poziomów (kroków kwantowania) sygnału wyjściowego. Cechy idealnego przetwornika C/A (rys. 1, rys. 2) : - charakterystyka przejściowa jest funkcja nieciągłą - sygnał wyjściowy (napięcie lub prąd) zmienia się skokami - kształt idealnej charakterystyki przejściowej nie zależy od liczby bitów przetwornika - nie występuje błąd kwantowania. 2
Rys. 1. Charakterystyka przejściowa unipolarnego przetwornika cyfrowo analogowego. Rys. 2. Charakterystyka przejściowa bipolarnego przetwornika cyfrowo analogowego. 3
Zasadę działania czterobitowego przetwornika cyfrowo-analogowego, działającego na zasadzie sumowania prądów, przedstawiono na rysunku 3. Poszczególnym bitom liczby zapisanej w rejestrze wejściowym (zawierającym słowo kodowe) są przyporządkowane prądy na wejściu wzmacniacza proporcjonalne do wagi bitu. Rys. 3. Przetwornik cyfrowo-analogowy - zasada działania: napięcie odniesienia, U wy analogowy sygnał wyjściowy, R, R S oporniki, MSB najbardziej znaczący bit słowa kodowego, LSB najmniej znaczący bit słowa kodowego. Napięcia wyjściowe odpowiadające poszczególnym bitom są również proporcjonalne do wagi bitu. Klucze podłączające oporniki do źródła napięcia odniesienia sterowane są sygnałem cyfrowym. Napięcie wynikowe odpowiadające kombinacji bitów uzyskuje się w układzie sumatora analogowego; jest ono sumą napięć odpowiadających poszczególnym bitom. Przedstawiony przetwornik czterobitowy generuje 16 różnych poziomów napięcia o skoku A, zależnym od doboru, R, oraz R S. Tabela 1 prezentuje sposób przyporządkowania kolejnym słowom kodowym analogowej wartości wyjściowej. Wejściowy kod cyfrowy Wartość analogowego sygnału wyjściowego U wy 0000 0 0001 0010 0011 U U U ref R 8R ozn. S RS 4R ref 2 A A 1 1 RS ( ) 8R 4R ref 3...... 1111 U A 1 1 1 1 RS ( ) 8R 4R 2R R ref 15 Tabela 1. Konwersja cyfrowo analogowa w przetworniku czterobitowym. A 4
Buduje się zarówno przetworniki składające się z kilku elementów (np. sieci rezystorowej, wzmacniacza operacyjnego oraz układu zawierającego źródło napięcia odniesienia i przełączniki analogowe sterowane cyfrowo), jak też, w zasadzie mniej dokładne, przetworniki monolityczne. Przeciętne czasy działania przetwornika cyfrowo-analogowego wynoszą niecałą mikrosekundę. Sygnałem wyjściowym w przetwornikach cyfrowo-analogowych jest prąd lub napięcie. Produkowane są też przetworniki cyfrowo-analogowe, w których cyfrowo nastawia się współczynnik (k 1), przez który następnie mnoży się analogowy sygnał wejściowy; układy takie nazywa się potencjometrami nastawianymi cyfrowo lub cyfrowo-analogowymi członami mnożącymi. Rzeczywisty przetwornik C/A odstępstwa od charakterystyki idealnej: - błąd przesunięcia zera (rys. 4a) - błąd wzmocnienia (rys. 4b) - błąd nieliniowości (rys. 4c). Rys. 4. Błędy rzeczywistego przetwornika analogowo cyfrowego. Przyczynami błędów jest najczęściej starzenie się elementów oraz zmiany temperatury. 5
Przetworniki analogowe / cyfrowe Większość urządzeń pomiarowych lub rejestratorów sygnałów w systemach pomiarowych kontaktujących się bezpośrednio z obiektami badań reaguje na oddziaływania fizyczne (np. temperatura, napięcie elektryczne. itp.) zmieniające się w sposób ciągły (nazywane sygnałami analogowymi). Aby te informacje mogły być wykorzystane przez system komputerowy muszą być przetworzone w kodowane sygnały cyfrowe. Rolę tę spełniają przetworniki analogowo-cyfrowe (A/C) umieszczone na styku części analogowej i cyfrowej systemu. Przetwornik analogowo / cyfrowy - układ elektroniczny, który zamienia wartości wielkości analogowej (ciągłej) na wartość cyfrową - w określonych momentach czasu. Kwantowanie i kodowanie Rys. 5. Proces kwantowania i kodowanie w przetworniku analogowo cyfrowym: (a) kwantowanie i kodowanie, (b) błąd kwantowania. 6
Parametry przetwornika C/A: - N to rozdzielczość przetwornika (długość słowa kodowego) - U FS to zakres przetwornika unipolarnego (wartość maksymalna) - Q to krok kwantowania U Q FS 2 N - to błąd kwantowania (wartość szczytowa szumu kwantowania, wartość średnia wynosi 0) Q 2. 2048 próbkowanie Kod cyfrowy 1024 t Rys. 6. Zasada działania przetwornika A/C. Metody konwersji wartości napięcia na postać cyfrową (stosowane w przetwornikach analogowo - cyfrowych) - metoda konwersji bezpośredniej (równoległa) - metody prób i błędów (stochastyczne) - metody całkowe - metody kolejnych przybliżeń (kompensacyjne). 7
Metoda konwersji bezpośredniej: - klasyfikacja napięcia wejściowego do jednego z 2 N przedziałów napięć - każdemu przedziałowi przypisane jest słowo kodowe - realizacja techniczna bardzo trudna wymaga dużej liczby dokładnych komparatorów napięcia - przetwarzanie równoległe (równoczesne porównanie sygnału wejściowego z odpowiednimi częściami napięcia odniesienia) - stosowana w przetwornikach o małej rozdzielczości - krótki czas konwersji kilkadziesiąt nanosekund - częstotliwość przetwarzania większa od 5 MHz. Rys. 7. Przetwornik konwersji bezpośredniej (równoległego). 8
U we K7 K6 K5 K4 K3 K2 K1 K0 Binarny kod cyfrowy 1 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 000 1 2 0 0 0 0 0 0 0 1 001 2 3 0 0 0 0 0 0 1 1 010 3 4 0 0 0 0 0 1 1 1 011 4 5 0 0 0 0 1 1 1 1 100 5 6 0 0 0 1 1 1 1 1 101 6 7 0 0 1 1 1 1 1 1 110 7 8 0 1 1 1 1 1 1 1 111 Tabela 2. Konwersja analogowo - cyfrowa w przetworniku trzybitowym W N bitowym przetworniku równoległym przetwarzane napięcie U we porównywane jest jednocześnie za pomocą 2 N 1 komparatorów z częściami napięcia odniesienia wytworzonymi przy pomocy drabinki oporowej. Sygnały z komparatorów przetwarzane są w konwerterze kodu na sygnał cyfrowy. Na rys. 7. przedstawiono zasadę pracy przetwornika równoległego 3 bitowego. Tabela 2 prezentuje sposób przyporządkowania słów kodowych poszczególnym zakresom napięcia wejściowego. Przetworniki równoległe (bezpośrednie) są najszybsze z wszystkich przetworników A/C, wymagają jednak rozbudowanego układu. Metoda prób i błędów: - klasyfikacja napięcia wejściowego do jednego z 2 N przedziałów napięć - porównanie metodą prób i błędów (np. napięcie zmienia się skokami o wartość Q od 0 V w kierunku wartości napięcia wejściowego) - poziomy napięcia potrzebne do porównania z napięciem przetwarzanym wytwarzane są przez przetwornik C/A - czas konwersji zależy od wartości napięcia wejściowego - stosowana w przetwornikach o większej rozdzielczości - długi czas konwersji od kilku do kilkudziesięciu mikrosekund. 9
Rys. 8. Schemat blokowy N bitowego przetwornika, działającego metodą prób i błędów (stochastycznego). W przetworniku stochastycznym układ sterujący generuje losowo liczbę N bitową, która jest w przetworniku C/A przetwarzana na napięcie. Napięcie to jest porównywane w komparatorze K z napięciem przetwarzanym U we. Zależnie od wyniku porównania układ sterowania generuje kolejną liczbę N bitową (napięcia różne) lub sygnalizuje zakończenie przetwarzania (napięcia równe). Metody całkowe: - dwustopniowy proces konwersji - krok 1. przetworzenie napięcia wejściowego na wartość pośrednią (czas lub częstotliwość) - krok 2. pomiar wartości pośredniej za pomocą dokładnych metod cyfrowych (na zasadzie zliczania impulsów) - wynik zliczania reprezentuje słowo kodowe odpowiadające napięciu wejściowemu - długi czas konwersji od kilku do kilkudziesięciu milisekund - bardzo duża dokładność. Metoda kolejnych przybliżeń (kompensacyjna): - porównanie napięcia przetwarzanego z N różnymi napięciami wzorcowymi (spośród 2 N możliwych) 10
- wybór kolejnego napięcia wzorcowego zależy od wyniku porównania w poprzednim kroku - w każdym kroku klasyfikacja sygnału przebiega z dwukrotnie wyższą dokładnością (najstarszy bit ustalamy poprzez porównanie napięcia wejściowego z napięciem odpowiadającym połowie wartości przetwarzania) - pełny cykl przetwarzania obejmuje N porównań (dla przetwornika N-bitowego) - czas konwersji od kilku do kilkudziesięciu mikrosekund. Rys. 9. Przetwornik kompensacyjny. W przetwornikach kompensacyjnych napięcie przetwarzane U we porównywane jest w komparatorze K kolejno z szeregiem napięć wzorcowych, z których każde następne jest 2 razy mniejsze od poprzedniego. Jeżeli napięcie przetwarzane jest większe od wzorcowego, napięcie wzorcowe jest od niego odejmowane i generowany jest stan 1, jeżeli jest mniejsze generowane jest 0. Z kolei porównanie następuje z napięciem wzorcowym dwukrotnie mniejszym i generowany jest następny bit. Ilość porównań równa jest ilości bitów przetwornika. Rys. 9 prezentuje 8 - bitowy przetwornik kompensacyjny A/C. Metoda kolejnych przybliżeń stosowana jest w przyrządach wymagających dużej dokładności przetwarzania. Podstawowa trudność w ich budowie to generacja odpowiednio dokładnych napięć wzorcowych. 11
Rzeczywisty przetwornik A/C odstępstwa od charakterystyki idealnej (rys. 10): - błąd zera - równoległe przesunięcie charakterystyki - błąd wzmocnienia zmiana nachylenia charakterystyki - błąd liniowości całkowitej charakterystyka nie jest zbliżona do liniowej. Rys. 10. Ilustracja definicji: (a) błędu zera, (b) błędu wzmocnienia, (c) błędu liniowości całkowitej. Idealna charakterystyka przetworników A/C może być przedstawiona jako linia schodkowa przyporządkowująca poszczególnym przedziałom przetwarzanego napięcia wejściowego określony sygnał cyfrowy (słowo kodowe). Rzeczywiste przetworniki wykazują odstępstwa od charakterystyki idealnej. 12