Системы передачи измерительной информации - ЦАП

значению на входе. Эту операцию выполняют цифро-аналоговые преобразователи. Эта процедура используется для передачи от компьютера управляющего сигнала исполнительному механизму или опорного значения для регулятора. ЦА-преобразование – также необходимый шаг в выполнении обратного аналого-цифрового (АЦ) преобразования.

Идеальный цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) вырабатывает выходной аналоговый сигнал, линейно зависящий от n-битного цифрового входного сигнала. В наиболее распространенных схемах каждый бит входного слова управляет некоторой составляющей выходного напряжения, которое генерируется каскадом сопротивлений (рис.1). Величины резисторов выбираются так, чтобы получать напряжения, равные 1/2 , 1/4, …, 1/2n опорного значения, которые соответствуют позиции соответствующего бита в слове. Эти значения складываются под управлением входных бит и затем усиливаются. ЦАП можно также сконструировать и для получения токового выхода.

входном цифровом слове. Выходное напряжение составляется из последовательно убывающих членов

Например, в 8-битном ЦАП байт 01011001 приводит к следующему выходному напряжению

(при В)

В.

ЦАП не изменяют своего состояния все одновременно, то в переходном режиме может появиться нежелательный всплеск напряжения на аналоговом выходе. Для устранения этой проблемы последовательно с ЦАП включают схему выборки и хранения (стабилизатор), которая поддерживает выходное значение постоянным, пока ключи не установятся.

Самые важные характеристики ЦАП, которые нужно учитывать при его выборе или разработке, перечислены ниже.

Всегда должна быть возможность подстроить это значение, например, с помощью потенциометра или программного управления.

Линейность: в какой степени связь между цифровым входом и выходным напряжением линейна, или, иначе, величина отклонения реального выходного напряжения от расчетного из-за нелинейности.

Время установления: время, необходимое для установления выходного напряжения на новое постоянное значение.

Быстродействие: максимальная скорость изменения выходного напряжения (выражается в В/мкс). Быстродействие зависит от времени установления.

в цифровой форме, т.е. выполнить аналого-цифровое преобразование. Соответствующее устройство называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

АЦП генерирует двоичное слово – цифровой выход – на основе аналогового сигнала.

АЦП может работать в соответствии с различными принципами. Два широко распространенных метода – параллельное сравнение и пошаговое приближение (аппроксимация).

В АЦП, работающем по принципу сравнения, входное значение сравнивается с различными уровнями напряжения, выработанными на основе известного опорного напряжения и каскада сопротивлений (рис. 2).

1 в зависимости от соотношения входного и опорного напряжений. Выход каждого компаратора затем преобразуется в двоичный код. Такие АЦП обладают хорошим быстродействием, но довольно дороги из-за применения компараторов.

 

времени ЦА-преобразования и от входного значения. Вообще говоря, время ЦА-преобразования находится в наносекундном диапазоне, а АЦ-преобразования – в микросекундном; для типового АЦП это время составляет от 0,5 до 400 мкс. Разрешение преобразования обычно составляет 10-12 бит, т.е. 1023 либо 4095 интервалов по напряжению; следовательно, входной сигнал квантуется в соответствующих долях от полной входной величины. Часть характеристик АЦП определены так же, как для ЦАП, - разрешение, нулевое смещение, линейность и время преобразования.

практике редко бывает так, что преобразуемый входной сигнал (выход датчика) изменяется от 0 до 100 % всего своего диапазона. Обычно нормальным является изменение в пределах 10-20%. Если, например, сигнал изменяется в пределах 5% от его теоретического диапазона и поступает на 10-битный АЦП, тогда действительный входной диапазон сигнала будет составлять 5% от 1023 или около 50 интервалов напряжения. Таким образом, цифровое разрешение будет определяться только 1/50 частью всего диапазона, т.е. 2% (рис. 5).

усиления, так и смещение напряжения входного аналогового сигнала. Это можно сделать с помощью операционного усилителя.

Если для передачи сигналов используется диапазон 4-20 мА, то разрыв цепи можно обнаружить как сигнал 0 мА. АЦП можно использовать для индикации нерабочего состояния датчика. Если АЦП откалиброван так, что максимальный входной сигнал (например, 20 мА) соответствует значению 4000 вместо 4095 в 12 битовом АЦП, то большие значения выходного слова можно использовать для индикации исключительных и ошибочных ситуаций. Это, однако требует некоторых дополнительных электронных схем и средств разработки.

Простой способ выявить отсоединенный датчик основан на схеме с переключателем и источником постоянного напряжения (рис. 6).

- датчик подключен; переключатель канала n в положении «выключен» - датчик отключен)