Материал: Исследование узлов систем управления. лабораторный практикум. Герасимов М.И., Болдырев И.А

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

СРЕДСТВА ВЫВОДА АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ

Цель работы – изучение функционирования цифроаналоговых преобразователей (ЦАП), определение их характеристик.

Теоретические сведения

Функциональное назначение ЦАП

Аналоговая информация, которая выводится из объекта управления (например, устройства ЧПУ), по физическому состоянию может быть либо медленно меняющимся сигналом (напряжением или током), либо импульсным сигналом с изменяющейся скважностью или фазой.

Для вывода аналоговой информации в виде напряжений стандартами предусмотрены следующие рекомендации: выходное напряжение должно находиться в пределах от минус 10 В до плюс 10 В постоянного тока; сопротивление цепей, подключенных к соответствующему выходу УЧПУ (нагрузки), должно быть не менее 2 кОм /6/, выходное сопротивление устройства вывода не более 100 Ом /7/. При этом стандарты не требуют наличия в схеме соответствующих модулей гальванической изоляции выходных цепей от других цепей СУ.

Основными элементами аналоговых модулей вывода являются цифро-аналоговые преобразователи. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП, англ. Digital-to-analog converter, DAC) — устройство для преобразования цифрового (обычно двоичного позиционного) кода в аналоговый сигнал (ток, напряжение или заряд). Цифро-аналоговые преобразователи являются интерфейсом между дискретным цифровым миром и аналоговыми сигналами. Функциональные обозначения ЦАП на УГО – #/Λ, D/A, DAC. Ниже рассмотрены принципы структурного и аппаратного построения этих преобразо-

36

вателей, а затем даны указания по их экспериментальному исследованию.

Структура ЦАП

Студентам из предшествующих курсов и /2/ известны несколько типов электронных ЦАП. Это:

•широтно-импульсный модулятор — простейший тип ЦАП. Стабильный источник тока или напряжения периодически включается на время, пропорциональное преобразуемому цифровому коду, далее полученная импульсная последовательность фильтруется аналоговым фильтром низких частот. Такой способ часто используется для управления скоростью электромоторов, нагревателей и т.п., которые сами по себе являются НЧ-фильтрами;

•ЦАП передискретизации, в частности дельта-сигма ЦАП, основанные на изменении плотности импульсов. Большинство ЦАП большой разрядности (более 16 бит) построены на этом принципе вследствие его высокой линейности и низкой стоимости. Быстродействие дельта-сигма ЦАП достигает сотни тысяч отсчетов в секунду, разрядность – до 24 бит (эффективная – 20 бит);

•сегментный ЦАП, который содержит по одному источнику тока или резистору на каждое возможное значение выходного сигнала. Так, например, восьмибитный ЦАП этого типа содержит 255 сегментов, а 16-битный — 65535. Теоретически, сегментные ЦАП имеют самое высокое быстродействие, т.к. для преобразования достаточно замкнуть один ключ, соответствующий входному коду, их недостатки очевидны;

•взвешивающий ЦАП, в котором каждому разряду преобразуемого двоичного кода соответствует резистор или источник тока, подключенный на общую точку суммирования (подробнее см. ниже);

•гибридные ЦАП, которые используют комбинацию перечисленных выше способов. Большинство микросхем ЦАП

37

относится к этому типу; выбор конкретного набора способов является компромиссом между быстродействием, точностью и стоимостью ЦАП.

На рис. 3.1 дана обобщенная структурная схема ЦАП напряжения (ЦАПН), в которой обозначено:

Rос

Рис. 3.1

ИОН – схема задания опорного стабильного напряжения (погрешность – единицы мВ); ЦАПТ – цифро-аналоговый преобразователь тока, который

включает в себя токозадающие резисторы, соединенные по определенной схеме /3/, и коммутирующие элементы, которые управляются от регистра Рг.

Выходной элемент ЦАПН – операционный усилитель

с необходимым диапазоном выходного напряжения и коэффициентом усиления по току.

При известных характеристиках ЦАПТ величиной ROC задается диапазон преобразования по напряжению:

38

где Ii – значение тока в i-ом разряде ЦАПТ; n – количество включенных (установленных) разрядов.

В свою очередь, разрядные токи пропорциональны величине опорного напряжения. В общем случае зависимость выходного сигнала от опорного напряжения и входного кода имеет вид

где b – разрядность прибора.

Максимально возможное значение при ai=1 для всех разрядов кода составит

Схемные решения узлов ЦАП

Операционный усилитель здесь используется в мас-

штабном включении. Сопротивление Rб устанавливается для компенсации погрешностей из-за разницы входных токов ОУ. Его величина выбирается равной эквивалентному сопротивлению младшего разряда ЦАПТ. Коэффициент усиления ОУ следует выбирать максимально возможным (около 106), входной ток должен составлять единицы наноампер. Обычно Uпит =±15 В, Uвых =±12 В. Допустимый ток нагрузки – десятки миллиампер. Таким образом, после ОУ может потребоваться дополнительный усилитель напряжения или усилитель тока.

Организация выхода ЦАП. Преобразование двоичного входного кода в аналоговый вид может быть представлено двумя способами: током, который пропорционален значениям кода или в виде напряжения. Большинство современных ЦАП имеют выход по напряжению.

Современные цифро-аналоговые преобразователи работают с однополярным питанием. Однако они могут выдавать би-

39

полярный выходной сигнал, если добавить внешний биполярный усилитель, определить среднее значение от максимального выходного напряжения ЦАП и принять его за ноль.

Основные варианты организации схем ЦАПТ рассмотрены выше.

В частности, на рис. 3.2 приведена схема взвешивающего ЦАПН с параллельной резисторной матрицей.

Рис. 3.2

Здесь S0…S(N-1) – электронные ключи, управляемые соответствующими разрядами входного кода (см. Рг на рис. 3.1). Эта схема действует по принципу суммирования токов, задаваемых R0…RN-1. Сила тока источника (проводимость резистора) пропорциональна весу бита, которому он соответствует. Такая схема часто используется при управлении шестнадцатеричными или восьмеричными кодами (из-за удобства выбора значений резисторов). Сопротивление Rб выбирается равным сопротивлению младшего весового резистора. Взвешивающий метод один из самых быстрых, но ему свойственна низкая точность, ибо для обеспечения заданной погрешности требуется высокая абсолютная точность значений сопротивлений резисторов (0,02 %). Это настолько существенный недостаток схе-

40