Микропроцессорные преобразователи информации Исполнитель

Микропроцессорные   преобразователи информации

План:

1. Общие сведения.

2.  Параллельный ЦАП с резистивной матрицей на весовых сопротивлениях.

3. Микропроцессорный ЦАП с программным выводам.

 {spoiler=Подробнее}

1.Общие сведения.

Широкое использование микропроцессоров в системах автоматического управления выдвигает на первый план проблему их связи с объектами, состояние которых в боль­шинстве случаев характеризуется непрерывными функциями вре­мени. Поэтому в процессе использования и обработки таких функций важная роль отводится операции преобразования непре­рывных (аналоговых) сигналов в цифровую форму и обратно. Это осуществляется при помощи аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). АЦП обеспечивают сопряжение источников аналоговых сигналов (например, чув­ствительных элементов систем управления, различных датчиков) с микропроцессорными устройствами обработки, а ЦАП пред­назначены в основном для вывода из процессора результатов обработки  информации  на управляемые объекты.

В системах автоматического управления используются следу­ющие виды аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразова­телей: «угол—код», «фаза—код», «напряжение—код», «время— код», «код—напряжение», «код—время» и др. Преобразователи «время—код» и «код—время» входят в цифровые устройства обработки сигналов систем управления, в которых источниками информации являются временные параметры электрического сиг­нала, например, в радиолокационных устройствах для измерения временных интервалов, характеризующих положение наблюдае­мого объекта по дальности, для измерения частоты и фазы сигналов в автоматических радиолокационных системах слежения за скоростью и угловым положением наблюдаемого объекта и т. п.

Совершенно очевидно, что преимущества цифровых методов обработки информации в системах управления могут быть реали­зованы лишь в том случае, когда АЦП и ЦАП не вносят в эту обработку ограничений по точности и быстродействию. Эти огра­ничения удается свести к минимуму при использовании инте­гральных преобразователей. Остановимся более подробно на рас­смотрении АЦП и ЦАП типа «напряжение-код» и «код—на­пряжение»,   соответственно.

Идея построения цифроаналоговых преобразователей типа «код—напряжение» состоит в нахождении для каждого входного цифрового кода N однозначно связанной с ним выходной аналого­вой величины U. Если на вход ЦАП подается код JV, то выходное напряжение

(1)

где U_ma — максимальное значение выходного напряжения пре­образователя,   соответствующее  максимальному   значению   кода

В ЦАП наибольшее распространение получили двоичные коды, для которых

 (2)

где щ — разрядный коэффициент, который может принимать значение 0 или  1.

С учетом того, что максимальное значение кода из а разрядов Nm* = 2<* — 1,  можно преобразовать уравнение (1)  к  виду

(3)

где и, = U_max2'/(2* - 1) «* U_mxk,; k, = 1/2»

Если код содержит знакомый разряд а_зп, определяющий по­лярность выходного напряжения преобразователя, то

(4)

Выражение (4) показывает, что преобразование «код— напряжение» заключается в суммировании напряжений u_t, про­порциональных весам k, разрядов а, входного цифрового кода.

Основными характеристиками ЦАП являются: статическая точность; быстродействие и динамический диапазон изменения преобразуемых величин, определяемые методом преобразования цифрового кода в аналоговую величину. В зависимости от исполь­зуемого метода преобразования различают параллельные, после­довательные, с промежуточным преобразованием и комбиниро­ванные ЦАП. С учетом приведенных в работе [721 данных можно отметить, что наибольшим быстродействием при удовлетвори­тельной точности обладают ЦАП параллельного типа. Наивысшую точность обеспечивают последовательные ЦАП. ЦАП с промежу­точным преобразованием обладают высокой точностью, но не являются  быстродействующими.

Преобразователи «код—напряжение» параллельного типа. В подавляющем большинстве выпускаемые в настоящее время преобразователи «код—напряжение» являются преобразователями параллельного  типа.

Запишемвыражение (5) в виде

где R — эталонное сопротивление, I_t — эталон­ный ток, соответствующий весу i-гo разряда.

Таким образом, в основу принципа преобразования «код— напряжение» можно положить суммирование эталонных токов /;.

Суммирование токов, как правило, производится в операцион­ном усилителе, напряжение на выходе которого пропорционально входному коду N. Эталонные токи могут формироваться как резистивными матрицами, так и активными делителями (генера­торами) опорных токов. Резистивные матрицы подразделяются на матрицы с весовыми резисторами и с резистивной сеткой R—2R.

Схема параллельного преобразователя «код—напряжение» с ре­зистивной матрицей на весовых резисторах, сопротивления кото­рых R_t совместно с источником эталонного напряжения U_a опре­деляют эталонные токи, приведена да рис.  12.1. Суммирование

токов осуществляется в операционном усилителе ОУ. Сопротив­ления резисторов задаются следующим образом: R_t = R2^a-I-t. При появлении единицы в i-м разряде входного цифрового кода ключ КЛ_i открывается и ток от источника эталонного напряже­ния U_э через соответствующий резистор R_t подается на вход операционного усилителя.

Таким образом, ток, втекающий в суммирующую точку опе­рационного усилителя, зависит от значения входного кода и определяется  формулой

Операционный усилитель преобразует ток I_z в выходное напряжение

где R_oc — сопротивление обратной связи усилителя.

Для преобразования значения знакового разряда а_зн в поляр­ность выходного напряжения ЦАП используются инвертор Инв, . пара ключей КЛ_а и КЛ_а+1 и сумматор. При преобразовании отрицательного числа (а_эн = 1) срабатывает ключ КЛ_а+1 и выходной сигнал операционного усилителя через инвертор по­дается на вход сумматора; при преобразовании положительного числа (а_т = 0) через замкнутый ключ КЛ„ выходной сигнал операционного усилителя непосредственно поступает на выход преобразователя. Анализ погрешностей, вносимых элементами схемы в работу ЦАП с весовыми резисторами, выполнен  в [6].

Основными недостатками рассмотренного ЦАП являются ши­рокий диапазон номиналов сопротивлений резистивной матрицы и значительная общая сумма сопротивлений всех весовых рези­сторов.

Большое распространение получили цифроаналоговые преоб­разователи с резистивной сеткой R — 2R, в которой используются резисторы только двух номиналов: R и 2R. Схема ЦАП с рези­стивной сеткой R — 2R приведена на рис. 12.2.

Использование в преобразователе резисторов только двух номиналов дает существенные технологические преимущества, упрощает практическую реализацию преобразователя, особенно при большой его разрядности, когда требуется высокая точность подбора сопротивлений. Как правило, резистивные сетки R — 2R выпускаются в интегральном исполнении. При разработке преоб­разователей «код—напряжение» большое внимание уделяется обеспечению высокого быстродействия. Время преобразования в ЦАП ограничивается быстродействием ключей, временем заряда . и перезаряда паразитных емкостей резистивных матриц, а также частотными свойствами операционных усилителей.

Повысить быстродействие можно путем уменьшения сопротивлений резисторов. Однако при этом существенно возрастает нагрузка на источник эталонного напряжения. Значительное увеличение быстродей­ствия достигается использованием обращенных преобразовате­лей  [27].

В значительной степени статическая точность параллель­ных ЦАП зависит от погрешностей, связанных с различием эта­лонных токов I_t отдельных разрядов. Для устранения этих по­грешностей используются параллельные ЦАП с источниками равных токов в разрядах   [27].

Последовательные преобразователи типа «код—напряжение» находят широкое применение в тех случаях, когда входной циф­ровой код поступает последовательно (например, по однопроводной линии связи) или когда внешнее устройство, подключенное к ЦАП, имеет большую постоянную времени. ЦАП последова­тельного типа по сравнению с параллельными отличаются про­стотой схемной реализации, но обладают значительно меньшим быстродействием. Последовательные ЦАП работают по принципу последовательного поразрядного преобразования входного кода в напряжение, его запоминания и последующего сложения на­пряжений, соответствующих значениям отдельных разрядов кода. Из данного типа ЦАП на практике наиболее широко приме­няются ЦАП со схемами выборки и хранения, а также цикличе­ские преобразователи [6, 27].

В состав цифроаналоговых преобразователей «код—напряже­ние» входят непрерывные и цифровые элементы. Цифровые элементы (счетчики, регистры, триггеры и т. д.) управляют процессом пре­образования и могут быть реализованы на интегральных микро­схемах серий К155, 133, 130, 530, 100, 500 и др. Непрерывные элементы   (электронные   ключи,  источники   эталонных   токов   инапряжений, усилители, схемы выборки и хранения и т. д.) могут строиться на гибридных микросхемах серий 572, 594, 252и др. Функционально полный набор микросхем для построения непрерывных частей ЦАП содержит серия 252: преобразователь напряжения 252ПН1, коммутатор токов 252К.Т1, блок операционных усилителей 252УДЗА.Б, блок компараторов 252 СА1, собственно 8-разрядные преобразователи положительных и отрицательных токов 252ПА1 и 252ПА2, 10-разрядный преобразователь  отрицательных   токов  252ПАЗ. 

Контрольные вопросы:

1. Общие сведения?

2. Параллельный ЦАП с резистивной матрицей на весовых сопротивлениях?

3. Микропроцессорный ЦАП с программным выводам?

{/spoilers}