Вся информация, обрабатываемая ЦВМ, должна быть представлена в цифровом коде. Поэтому входные аналоговые величины, к каким относятся, например, постоянные или меняющиеся по какому-либо закону напряжения, временные интервалы, линейные и угловые перемещения должны быть представлены в ЦВМ в цифровом коде. Эту задачу решают специальные устройства, называемые аналого-цифровыми преобразователями (АЦП).
С другой стороны, при использовании ЦВМ для управления работой различных объектов, отображения результатов расчета в виде графиков идругих целей возникает необходимость представления цифровой информации, выдаваемой ЦВМ,в виде аналоговых величин. Это преобразование осуществляется с помощью цифроаналого-вых преобразователей (ЦАП).
Аналого-цифровые преобразователи. На рис. 13.37, а – показана схема АЦП напряжения в двоичный код, а на рис. 13.37, б – графики, поясняющие его работу.
Генератор тактовых импульсов ГТИ вырабатывает импульсы стабильной частоты, которые поступают на одинвход ЛЭ И и на делитель частоты ДЧ. Импульсы с выхода ДЧ определяют цикл преобразования Т ц.п.. Они используются для установки счетчика СТ в нулевое положение, запуска генератора пилообразного напряжения ГПН и
Рис. 13.37. Функциональная схема АЦП напряжения в двоичный код (а) и
графики, поясняющие его работу (б)
триггера Т, устанавливая последний в единичное состояние. ГПН формирует линейно возрастающее напряжение с амплитудой, превышающей возможные значения входного напряжения и вх. Напряжения с выхода ГПН и и вх поступают на устройство сравнения УС, которое в момент равенства этих напряжений вырабатывает импульс, поступающий на второй вход триггера и устанавливающий его в нулевое состояние. Сигнал с выхода триггера подается на второй вход ЛЭ И.
Таким образом, тактовые импульсы поступают на счетчик через ЛЭ И в течение времени, равного пребыванию триггера в состоянии 1. Так как это время пропорционально значению и вх, то число подсчитанных счетчиком импульсов также будет пропорционально входному напряжению.
По такому же принципу строится АЦП временного интервала в код. При этом отпадает необходимость в делителе частоты, ГПН и устройстве сравнения.
Иногда применяются АЦП с обратной связью по выходу (рис. 13.38), называемые балансными. В состав таких преобразователей включают ЦАП, который преобразует двоичный код, полученный на выходе счетчика СТ, в управляющее напряжение и у. Это напряжение поступает вместе с входным напряжением на устройство сравнения УС. В момент равенства и вх и иу УС прекращает выдачу положительного напряжения на ЛЭ И, и поступление тактовых импульсов от ГТИ на вход счетчика прекращается. В результате цифровой двоичный код на выходе счетчика оказывается пропорциональным входному напряжению.
Рис. 13.38. Функциональная схема балансного АЦП напряжения в двоичный код
В рассмотренных АЦП точность преобразования определяется стабильностью и частотой повторения тактовых импульсов, линейностью напряжения на выходе ГПН и стабильностью работы ГПН. Для уменьшения ошибки, вызванной дискретностью преобразования, необходимо увеличивать частоту повторения тактовых импульсов.
Цифроаналоговые преобразователи. В зависимости от вида выходной величины ЦАП делятся на электрические и механические. В электрических ЦАП выходными величинами являются напряжение, ток или временной интервал, а в механических — линейное или угловое перемещение, скорость и т. п.
На рис. 13.39 приведена схема электрического ЦАП, выполненного на базе ОУ и преобразующего трехразрядный двоичный код х 0 х 1 х 2в напряжение. Преобразователь работает по принципу суммирования входных токов:
Рис. 13.39. Схема ЦАП двоичного кода в напряжение
В этом выражении х 0, х 1 и х 2— двоичные коэффициенты, принимающие значения 0 или 1 в соответствии с кодом преобразуемого трехразрядного двоичного числа. Коммутация токов I 0, I 1 и I 2осуществляется контактами реле К0, К1 и К2, которые срабатывают в том случае, когда состояния подключенных к ним соответствующих разрядов двоичного числа х 0 х 1 х 2 равны 1.
Считая в данном выражении
получаем
Значения токов должны соответствовать весу соответствующего разряда двоичного числа, т. е. I 1 = 21 I 0 = 2 I 0; I 2 = 22 I 0 = 4 I 0. Это достигается выбором сопротивлений резисторов R0, R1 и R2. Так как при замкнутых контактах К0.1 и К1.1 имеем I 0 = U оп/ R0 и I 1 = U оп/ R1,то из условия I 1 = 2 I 0 следует R1 = R0/2. Аналогичным образом можно получить выражение для R2: R2 = R0/4. С учетом найденного соотношения для сопротивлений резисторов R0, R1 и R2 последнее уравнение можно записать в виде
Если число разрядов двоичного числа больше трех, необходимо параллельно резисторам R0, R1 и R2 подключить аналогичным способом резисторы R3 = R0/8, R4 = R0/16 и т. д.
Точность работы такого ЦАП определяется точностью подбора сопротивлений резисторов R0, R1 и R2,... Наиболее жесткие требования предъявляются к точности старших разрядов, так как разброс токов в этих разрядах не должен превышать тока младшего разряда. Поэтому на практике часто в ЦАП используется резистивная матрица постоянного импеданса, или матрица типа R — 2R (рис. 13.40). В таком ЦАП применяются перекидные ключи, подключающие резисторы матрицы либо к узлу суммирования токов, либо к нулевому проводу. Благодаря этому нагрузка источника опорного напряжения независимо от значимости разрядов кода двоичного числа остается постоянной и равной R. Это уменьшает длительность переходных процессов и повышает быстродействие преобразователя. В ЦАП, показанном на рис. 13.40, выходное напряжение определяется выражением
На рис. 13.41 приведен ЦАП, осуществляющий преобразование двоичного кода числа в угол поворота. Работает такой преобразователь следующим образом.
Рис. 13.40. Схема ЦАП с резистивной матрицей
Рис. 13.41. Функциональная схема ЦАП, осуществляющего преобразование
двоичного кода числа в угол поворота вала двигателя
На сумматор SM поступают параллельные коды двоичных чисел от ЭВМ и АЦП. На выходе сумматора образуется двоичный код, представляющий разность входных кодов, который поступает на преобразователь кода в напряжение ПКН. В ПКН этот код преобразуется в напряжение, которое усиливается усилителем У и поступает на обмотку возбуждения двигателя ДВ, вызывая вращение его вала. Двигатель через редуктор Р поворачивает вал датчика Д, создавая на его выходе напряжение, пропорциональное углу поворота. Это напряжение преобразуется АЦП в двоичный код и поступает на один из входов сумматора. Как только значения кодов на входах сумматора станут равными, сигнал на его выходе уменьшится до нуля и двигатель остановится. Изменение кода, поступающего от ЭВМ, приведет к появлению сигнала на выходе сумматора и изменению углового положения вала двигателя. При этом на выходе АЦП образуется двоичный код, равный новому значению двоичного кода, поступающего от ЭВМ. Следовательно, система, представленная на рис. 13.41, работает по сигналу, имеющемуся на выходе сумматора, сводя его к нулю. Такие системы называют следящими.
Элементную базу АЦП и ЦАП с высокими техническими характеристиками составляют устройства в интегральном исполнении: логические элементы, операционные усилители, источники опорных напряжений, аналоговые ключи и коммутаторы, аналоговые компараторы (сравнивающие устройства) напряжений и др. Логические элементы являются основой цифровой и логической частей АЦП и ЦАП. На ОУ выполняются устройства, осуществляющие операции сложения, вычитания и умножения, генераторы и стабилизаторы тока и напряжения, усилительные, буферные и другие устройства.
В последние годы для построения цифровой и логической частей АЦП и ЦАП стали широко применяться микропроцессоры, что позволило значительно сократить объем устройств управления и совместить процессы преобразования и предварительной обработки информации.
Контрольные вопросы и задания
1.Запишите в двоичной системе счисления десятичные числа 1, 3, 6, 9, 15, 18, 45.
2.Каким образом двоичные числа переводятся в восьмеричные
и шестнадцатеричные?
3.Какое устройство называется регистором и что он собою представляет?
4.Поясните запись и считывание двоичного числа в регистрах,
приведенных на рис. 13.1.
5.Для какой цели применяются сдвигающие регистры?
6.Поясните работу суммирующего счетчика импульсов, показанного на рис. 13.8. Чем ограничивается быстродействие такого счетчика?
7.Определите число разрядов двоичного счетчика с коэффициен
том деления 25 и номера разрядов этого счетчика, на которое необходимо
подать обратные связи.
8.Какие устройства называют шифраторами и дешифраторами
и для каких целей они применяются?
9.Какими должны быть значения адресных входов а 0 и а 1 мультиплексора (рис. 13.20) при у = х 2?
10.Поясните работу компаратора, показанного на рис. 13.24, а.
11.Чему будут равны значения Si и Pi+1 в сумматоре, изображенном па рис. 13.27, а, если аi = bi = 1 и Pi = 1?
12.Назовите основные параметры запоминающих устройств.
13.Поясните принцип управления работой интегральных триггеров на биполярных (рис. 13.30) и МДП-структурах (рис. 13.31) при записи
и считывании информации.
14.В чем принципиальное различие между ЗУ интегральной микроэлектрониики и ЗУ функциональной электроники?
15.Поясните работу сдвигового регистра на ПЗС (рис. 13.35).
16.Поясните принцип преобразования напряжения в двоичный код в АЦП, схема которого приведена на рис. 13.37.
17.Как работает ЦАП, изображенный на рис. 13.39, и из каких условий выбираются сопротивления входящих в него резисторов?
