самописца, затем перейти на устройство для пробивки перфолент или на терминал с электронно-лучевой трубкой и вручную ввести данные с клавиатуры. Однако такой путь окажется чистым безумием, если дело коснется мало-мальски объемистого массива данных. Он ведет также и к массовым ошибкам, если оператор невнимателен или утомлен, и порождает никому ненужные проблемы при анализе результатов!

Хитрость состоит в том, чтобы данные, получаемые от аппаратуры, ввести в вычислительную машину автоматически. Для этого потребуется схема, которая называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Противоположный тип преобразователя - это цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), который получает двоичные слова от вычислительной машины и представляет их в виде уровней напряжения или тока. В этой главе мы рассмотрим оба типа преобразователей начиная с ЦАП. Может показаться, что следовало бы сделать наоборот, но в действительности принятый нами порядок изложения соответствует здравому смыслу, так как цифроаналого-вые преобразователи проще, чем большинство аналого-цифровых, и, кроме того, ЦАП входит в состав почти всех так называемых АЦП с обратной связью.

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП)

Существует несколько различных методов цифроаналогового преобразования, но в большинстве случаев эти методы используют систему взвешенных токов или напряжений, включаемых цифровым сигналом, поступающим на входы переключателей.

Примером является показанная на рис. 14.1 широко распространенная схема ЦАП на базе матрицы сопротивлений типа

20 к Ом

,, Rбаланс ,, VggO-сп-oVrr

t\2R \\2R \\2R \\2R

s, (C3P)

-° EjrnlO в пост, тока

Рис. 14.1. Простой цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

R-2R. Активный элемент У1 представляет собой операционный усилитель с усилением, равным единице, в режиме инвертирующего повторителя. В качестве операционного усилителя можно использовать недорогое устройство из семейства 741, однако оно не очень подходит для прецизионных ЦАП. В этом случае успех может принести применение высококлассных операционных усилителей. В случаях когда одновременно требуются и высокие характеристики, и низкая стоимость, автор предпочитает устройства серий СА3160 или СА3140 фирмы RCA.

На рис. 14.1 в качестве цифровых входов показаны переключатели, однако в реальном преобразователе переключатели будут заменены на двоичный счетчик, устройство ввода/вывода вычислительной машины либо на какую-либо другую «-разрядную шину параллельных данных.

Для точного преобразования требуется прецизионное эталонное напряжение, величина которого в большинстве случаев составляет около +10,000 В постоянного тока. Точность преобразователя зависит от точности эталонного напряжения. Точнее говоря, существуют и другие источники ошибок преобразователя, однако если недостаточно точен эталон, то вряд ли стоит надеяться на то, что для улучшения характеристик схемы какие-то другие факторы будут эффективными. Хотя в качестве эталона может служить почти любой точный стабилизатор напряжения, проще всего использовать устройство типа REF-0,1CJ фирмы Precision Monolithics, Inc. (PMI) или устройство REF-OIHJ. Эти ИС специально разработаны для такого рода применений и легко настраиваются на эталонный потенциал (см. рис. 19.2).

Возвращаясь к рис. 14.1, рассмотрим работу схемы в случае, когда некоторые разряды имеют высокий уровень, а другие - низкий. Если все разряды имеют низкий уровень, то выходное напряжение равно нулю. Значение выходного напряжения определяется произведением IxR, и, когда все разряды имеют низкий уровень, ток / равен нулю. На практике, однако, в этом случае на выходе может быть некоторое напряжение из-за смещений в операционном усилителе, о чем говорилось в одной из предыдущих глав. Эти смещения лможно свести к нулю при принудительной установке всех разрядов в ноль.

Если старший значащий разряд (СЗР) равен 1, выходное напряжение приблительно равно /2 -Бэт- Аналогично если включен (установлен в 1) только разряд, предшествующий старшему значащему разряду, то выходное напряжение равно Аэт. Вклад младшего значащего разряда (МЗР) в выходное напряжение равен 2~"£эт.

Предположим, что у нас имеется восьмиразрядный ЦАП такого типа, как показан на рис. 14.1. Входное слово имеет вид 11001011, а эталонное напряжение точно равно +10,000 В. Чему равно выходное напряжение?

Полное выходное напряжение ЦАП есть сумма вкладов всех индивидуальных разрядов, или

2 S, {EJ2).

Поэтому в нашем случае

21 I 21 I " I " Г 25 II 2 I 28 ~"

Ю , J0 I 10 , 10 , 10

- 2 + 4 ~Г 32 + 128 "Г" 256 ~

= 5+2,5+0,3125 + 0,0781+0,039 = 7,93 В.

Ряд фирм - изготовителей поупроводниковой техники предлагает потребителям недорогие восьмиразрядные ЦАП на ИС, которые содержат почти все электронные элементы, за исключением, возможно, источника эталонного напряжения и схем выравнивания смещения операционного усилителя. Все эти элементы собраны в одном корпусе с двухрядным расположением выводов. Я использовал устройства разных фирм: Datel, Analog Devices, Precision Monolithics и др., но для иллюстраций в настоящей книге выбрал устройства фирмы PMI.

На рис. 14.2, а показана основная схема использования ЦАП-08. Интегральная схема содержит электронные переключатели, токовый выход, матрицу сопротивлений и усилители эталонного напряжения. Токовый выход является дополнительным, так что

наряду с выводом /вых имеется вывод /вых-

Для работы такого ЦАП требуется два типа входных сигналов. Один из них - эталонный ток /эт, протекающий через контакт 14. Этот ток может вырабатывать цепь, состоящая из источника прецизионного эталонного напряжения, такого, как REF-01, и прецизионного резистора с низким температурным коэффициентом сопротивления. При сопряжении со схемами ТТЛ и эталонным напряжением 10,000 В сопротивление резистора должно быть в точности равно 5000 Ом.

Другой тип входного сигнала - восьмиразрядное двоичное слово, которое поступает на контакты 5-12 ИС. Разряд 1 (СЗР) поступает на контакт 5, следующий разряд - на контакт б и т. д. до контакта 12, который соответствует младшему значащему разряду, разряду 8. Требуемые логические уровни - это обычные уровни ТТЛ, а именно потенциал земли для логического нуля и +5 В для логической единицы.

На рис. 14.2,6 показана схема соединений ЦАП-08 для обеспечения униполярной работы в диапазоне от О до примерно 10 В. Когда входное слово равно 00000000, выход находится в нулевом состоянии (0,00 В). Напряжение -5 В, равное половине максимального, будет выдано тогда, когда входное слово