Элементарные (одноразрядные) аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи

 

На рис. 1.7 показаны входные и выходные величины ЦАП и АЦП.

Рис. 1.7

Любой ЦАП, выходной величиной которого является напряжение U или ток I, содержит источник опорного напряжения (ИОН). Он может находиться внутри микросхемы (рис. 1.7,а), или подключаться к ней извне (рис. 1.7,б). Напряжение U или ток I пропорциональны произведению опорного напряжения U₀ на число N. Если U₀ заменить на входное напряжение U₁, изменяющееся в определённом диапазоне, то получится т.н. «умножающий» ЦАП (рис. 1.7,в), в котором выходное напряжение U₂ или ток I пропорциональны произведению U₁ на число N. В состав АЦП может входить ЦАП (рис. 1.7,г).

Элементарным аналого-цифровым преобразователем электрического напряжения является сочетание опорного источника и компаратора (сравнивающего устройства). От опорного источника, чаще называемого источником опорного напряжения – ИОН, как правило, требуется высокая стабильность выходного напряжения U_ref (индекс – от английского reference). Компаратор представляет собой устройство с двумя входами, на один из которых подается входной преобразуемый сигнал U_x, а на другой – в данном случае опорный сигнал U_ref. Отметим, что последние выражения нестроги: U_x и U_ref суть не сигналы как физические процессы, а информативные параметры сигналов, но и в дальнейшем эта нестрогость будет допускаться для краткости.

 

 

Рис. 1.8.

 

Компаратор должен формировать на выходе логический (двоичный) сигнал, который далее будет обозначаться α, принимающий значения «0» или «1». Будем считать, что α = 0, если U_x < U_ref, и α = 1, если U_x > U_ref (рис. 1.8). Случай равенства напряжений с точки зрения реального измерения, выполняемого с погрешностью, не представляет большого интереса; можно допустить, что выходной сигнал компаратора в этом случае имеет право принять любое значение.

Реальные компараторы в настоящее время выполняются по типу операционного усилителя (но имеют логические выходные сигналы) или по структуре триггера с разрываемыми обратными связями: в момент замыкания обратных связей триггер имеет высокую чувствительность к несимметрии режимов его ветвей, что и требуется для компаратора. Схемотехнически удобно получать эффект разрыва обратных связей путем выключения общего тока транзисторов триггера.

Рассмотренные компараторы выявляют на множестве напряжений отношение порядка. В других областях могут выявляться иные отношения. Так, при измерениях времени первичным выявляемым отношением является одновременность событий. Она выявляется двухвходовым элементом «И», на входы которого подаются логические сигналы, представляющие сравниваемые события. Такой элемент обычно называют не компаратором, а селектором.

Формируемые при выявлении тех или иных отношений кодовые знаки, принимающие значение «1», когда выявляемое отношение имеет место, можно (по аналогии с известной в теории множеств характеристической функцией подмножества, принимающей значение «1», если рассматриваемый элемент множества принадлежит подмножеству) назвать характеристическими знаками выявляемых отношений.

Источник напряжения в сочетании с переключающим ключом SW_U, который при α = 0 соединяет выход преобразователя U_out с линией нулевого потенциала, а при α = 1 – с линией U_ref (рис. 1.9), является элементарным цифро-аналоговым преобразователем с выходом по напряжению.

    

 

Рис. 1.9.                                Рис. 1.10.

 

Если же используется источник тока, то «токовый» ключ SW_I должен при α = 0 соединять выход источника тока с линией нулевого потенциала, а при α = 1 – с выходной линией I_OUT (рис. 1.10). Для источника тока короткое замыкание – нормальный режим; на рисунке прерывистая линия в цепи полезной нагрузки показывает, что ток должен обязательно протекать по замкнутому контуру небольшого сопротивления.

Сравнивая рис. 1.9 и рис. 1.10, можно видеть, что ключи напряжения и тока взаимно дуальны: точка, являющаяся выходом первого, оказывается входом второго и наоборот. Отметим, что полная дуальность имеет место только на уровне структур; у многих реальных ключей нельзя просто поменять вход с выходом.

Рассмотренные элементарные (одноразрядные) ЦАП можно понимать как вырожденные шкалы, в которых единственный объект – выходной сигнал, характеризуемый напряжением U_out или током I_OUT, – сцеплен с единственным кодовым символом α.