Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи


Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи
Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) представляет цифроаналоговый преобразователь ЦАП с дополнительной схемой, поэтому вначале мы рассмотрим ЦАП, а затем добавим новую схему. Большинство ЦАП состоит из электронных ключей и резисторов (рис. 21.2), которые преобразуют отдельные высокие и низкие уровни напряжения в непрерывное аналоговое напряжение. Резисторы действуют как делители напряжения и нагрузки.

Примером простого ЦАП служит схема для преобразования тетрады в электронный сигнал, который управляет звуковой сиреной. Биты служат цифровым входом в схему, которая преобразует их в изменяемый электронный сигнал, формирующий звук сирены.
В параллельной тетраде четыре бита передаются по четырем линиям шины данных. Эти линии подключаются к четырем входам ЦАП. Чтобы получить звук сирены, биты тетрады нужно изменять так, чтобы они постоянно изменяли высоту звука от низкого к высокому и наоборот. Для изменения высоты звука от низкого к высокому потребуются следующие 16 строк (они выстроены в четыре столбца) машинного языка:

Четыре бита одновременно подаются на четыре ключа ЦАП. Ключи соединены с резисторами. Каждый резисторный ключ либо подключается к напряжению 4-5 В, либо заземляется. Каждая тетрада при подаче в ЦАП формирует несколько отличающееся выходное напряжение. Резисторы обеспечивают преобразование каждой тетрады в напряжение из диапазона 0 +5 В. Рассмотрим, что происходит при подаче в ЦАП различных комбинаций битов тетрады.
При подаче кода 0000 все ключи соединяются с землей схемы (0 В) и выходное напряжение равно нулю. В последующих комбинациях каждая единица соединяет ключ с напряжением +5 В. Выход четырех ключей изменяется в зависимости от числа ключей, соединенных с напряжением + 5 В, резисторов, через которые проходит ток, и делителя напряжения. Когда тетрада изменяется от 0000 до 1111, выходное напряжение изменяется от 0 В до значения, несколько меньшего +5 В. При быстром изменении тетрады от 1111 к 0000 напряжение быстро уменьшается к 0 В. Если изменяемое напряжение подать в звуковую систему, зазвучит сигнал, напоминающий сирену. С помощью такого ЦАП можно получить любые звуки.
При наличии четырехбитового входа можно образовать 16 звуковых тонов, а схема называется четырехбитовым ЦАЛ. В пятибитовой схеме можно образовать 32 различных напряжения, в шестибитовом — 64 напряжения, в семибитовом — 128 напряжений и т.д. Мы рассмотрели основной способ циф-роаналогового преобразования, в котором небольшое число входных битов может образовать множество выходных напряжений, которые при объединении образуют аналоговое напряжение.
Аналого-цифровое преобразование. Рассмотренный выше способ удобен, когда требуется вывести аналоговое напряжение из цифрового мира, например для кассетного магнитофона или звуковой системы. Для преобразования аналоговых напряжений в цифровую форму (двоичный код) потребуется дополнительная схема.
Для построения АЦП по-прежнему требуется схема «ключ-резистор» из ЦАП. Эта схема находится в центре АЦП, показанного на рис. 21.3. Схема ЦАП дополнена регистром-счетчиком и компаратором. Счетчик начинает считать от нуля и продолжает до своего предельного значения (емкости). Например, четырехбитовый счетчик считает от 0 до 15, 8-битовый счетчик — от 0 до 255, а 16-битовый — от 0 до 65535. Биты счетчика подаются на входы ЦАП. Ключи ЦАП действуют так, как показано ранее, и выходное напряжение ЦАП при работе счетчика постепенно увеличивается.

Выходное напряжение ЦАП подается на один из входов компаратора, имеющего два входа и один выход. На второй вход компаратора подается аналоговое напряжение.
Один из входов компаратора (рис. 21.4) обозначен знаком плюс ( + ), а второй — знаком минус ( —). На вход ( —) подается эталонное напряжение. Здесь эталонным служит напряжение, образованное счетчиком и матрицей ключей-резисторов ЦАП. На вход (+) подается преобразуемый аналоговый сигнал.

В счетчике вход синхронизации обеспечивает непрерывный счет. Четырехбитовый счетчик считает от 0000 до 1111, а затем начинает с 0000. Схема ЦАП непрерывно образует напряжение из диапазона 0 -*- + 5 В, а затем возвращается к 0 В. Если нарисовать зависимость выходного напряжения ЦАП от входных битов, получится ступенчатый сигнал, показанный на рис. 21.5. Такое непрерывно изменяющееся напряжение подается на эталонный вход компаратора.
До тех пор пока эталонное напряжение на входе ( —) отрицательнее, чем аналоговый сигнал на входе ( + ), компаратор не выдает никакого напряжения. Выход компаратора подан на специальный ключ в схеме счетчика. Ключ действует как специальный выход в цифровой мир. Выход имеет четыре линии и передает четыре бита из счетчика. Когда ключ замыкается, текущие биты выводятся в цифровой мир. Ключом управляет выход компаратора.
Компаратор подает напряжение на ключ, когда эталонный вход ( —) становится положительнее, чем аналоговое напряжение на входе ( + ). При этом четыре цифровых бита из счетчика, представляющие входное аналоговое напряжение, поступают в цифровой мир. Рассмотрим работу ЦАП и АЦП в кассетном магнитофоне.

 

 Поиск и устранение неисправностей в персональных компьютерах