Компараторы, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи

Как отмечалось в параграфе 2.1, электронные устройства делятся на аналоговые и цифровые. В современных системах управления различными процессами, в том числе и технологическими, присутствуют устройства обоих типов. Аналоговые устройства обычно обеспечивают съем первичной информации с датчиков системы управления приводами исполнительных устройств и механизмов, управление же самим процессом в соответствии с заданной алгоритмом программой выполняют цифровые устройства. Взаимодействие между аналоговой частью системы и цифровой (преобразование информации из аналоговой формы в цифровую и обратно) обеспечивают цифроаналоговые (ЦАП) и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Из большого числа известных методов построения таких преобразователей рассмотрим наиболее типичные, используемые в выпускаемых промышленностью БИС.

Очень важную роль при аналого-цифровом преобразовании играют компараторы. Компаратором называют устройство, предназначенное для сравнения изменяющегося аналогового входного сигнала с опорным напряжением. При этом в зависимости от того, больше входной сигнал опорного или меньше (на доли милливольт), на выходе компаратора должно установиться напряжение "логический нуль" (лог. 0) или "логическая единица" (лог. 1). Так как выходной сигнал компаратора подастся обычно на логические схемы, его выходное напряжение согласуется с цифровыми логическими схемами.

Функцию сравнения двух напряжений может выполнить и ОУ, если на один из его входов подать опорное напряжение, а на другой – входной сигнал. Однако специализированные устройства – компараторы – имеют преимущество в быстродействии, которое получают, предотвращая режим насыщения его транзисторов, а следовательно, и длительное рассасывание неосновных носителей. Схемы компараторов похожи на схемы ОУ, но менее сложные. Компараторы выпускаются в интегральном исполнении, а также являются составной частью микросхем АЦП.

Цифроаналоговые преобразователи

ЦАП обеспечивают прием от цифрового устройства двоичного кода и преобразование его в напряжение постоянного тока, пропорциональное этому коду, для последующей передачи его аналоговым устройствам.

На рис. 2.22 пояснен принцип цифроаналогового преобразования с помощью суммирующего ОУ. Вследствие большого входного сопротивления входной ток О У пренебрежимо мал, поэтому сумма токов ΣIi, притекающих к точке А, равна току Iос, вытекающему из этой точки. Разность потенциалов между инвертирующим и неинвертирующим входами вследствие большого коэффициента усиления собственно ОУ (при условии, что он находится на линейном участке характеристики) также пренебрежимо мала, поэтому потенциал точки А оказывается близким к нулевому потенциалу корпуса. С учетом этих допущений выходное напряжение (см. рис. 2.15, а) равно:

Предположим, что с помощью ключей Кч, к точке А могут быть поданы токи, значения которых пропорциональны весу разрядов двоичного кода (если младшему разряду соответствует ток I, то ток каждого следующего разряда в 2 раза больше, т.е. 2I, 4I, 8I и т.д. до 2n-1I для старшего разряда п). Если при значении i-го разряда, равном 1, ключ Kлi замкнут, а при 0 – разомкнут, то сумма токов ΣIi, а значит, и Uвыx окажутся пропорциональны значению n-разрядного двоичного числа, код которого управляет ключами.

Рис. 2.22. Принцип работы ЦАП на основе ОУ

Для создания токов, пропорциональных весу двоичных разрядов, используется так называемая матрица R–2R (рис. 2.23, я), которую подключают к источнику стабильного напряжения Uoп. Нетрудно убедиться, что для каждого узла матрицы сопротивление всей цепи, расположенной правее узла, всегда равно 2R. Поэтому ток, втекающий в узел, разделяется поровну между резистором 2R (вниз) и параллельной ему цепью (вправо). В следующем узле опять происходит деление втекающего тока пополам, но поскольку он в два раза меньше, чем ток, втекающий в предыдущий узел, то и через резистор 2R будет течь в два раза меньший ток. Таким образом, токи, текущие через резисторы 2R, будут пропорциональны весу двоичных разрядов аi. Для коммутации токов используется схема, изображенная на рис. 2.23, б. Роль ключей выполняет пара полевых транзисторов, при этом VT1 направляет ток в точку А операционного усилителя, a VT2 – на корпус. На затвор VT1 поступает непосредственно напряжение двоичного разряда аi, а на затвор VT2 – напряжение с инвертора. Если соответствующий разряд двоичного кода аi равен единице, то транзистор VT открывается, a VT2 закрывается. При этом ток соответствующего двоичного разряда будет принимать участие в формировании выходного напряжения. Если же аi = 0, то закрытым будет транзистор VT1, а открытым – VT2, и соответствующий ток замыкается на корпус.

Рис. 2.23. Матрица R–2R (а), схема коммутации токов (б)