Как правило, информация первичных преобразователей (сигналов датчиков) представляется в аналоговой форме, в виде уровней напряжения или силы тока. Большая часть исполнительных устройств, предназначенных для автоматического управления технологическими процессами, реагируют также на аналоговые сигналы. Однако цифровые устройства принимают и выдают информацию в двоичном коде. Для преобразования информации из цифровой формы в аналоговую применяют цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), а для обратного преобразования – аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
ЦАП и АЦП характеризуются погрешностью, быстродействием и динамическим диапазоном. Погрешность состоит из методической и инструментальной составляющих. Методическая составляющая определяется абсолютной погрешностью квантования аналоговой величины, которая зависит от шага квантования. Шаг квантования – наименьшее изменение аналогового сигнала при изменении цифрового сигнала.
Инструментальная погрешность определяется нестабильностью пара-метров элементов схемы преобразователя и неточностью его настройки.
Быстродействие ЦАП и АЦП определяется временем преобразования: для ЦАП – интервалом между моментом поступления входного кода и моментом установления выходного сигнала (с заданной точностью), а для АЦП – интервалом от момента запуска преобразователя до момента получения цифрового кода на выходе.
Динамический диапазон – допустимый диапазон изменения входного напряжения для АЦП и выходного напряжения для ЦАП.
Основу ЦАП составляет матрица резисторов, подключаемых ко входу операционного усилителя транзисторными ключами, которые управляются параллельным кодом регистра.
При этом 8(R1 + R5) = 4(R2 + R6) = 2(R3 + R7) = 1(R4 + R8).
Принцип преобразования цифрового сигнала в аналоговую форму заключается в сложении нескольких ступеней опорного сигнала в одну ступень постоянного дискретного уровня. При этом складываются лишь те ступени опорного сигнала, для которых в разрядах цифрового кода при-сутствуют единицы. Величины опорных сигналов на входе операционного усилителя определяются соотношением резисторов матрицы. Таким об-разом опорное напряжение более старшего разряда в два раза больше предыдущего.
При подаче цифрового кода в параллельный регистр открываются транзисторы, на базе которых будут положительные сигналы. Например, при подаче кода 1010 откроются соответственно транзисторы Т2 и Т4. Опорные напряжения с этих транзисторов складываются на операционном усилителе, и мы получаем выходной аналоговый сигнал, пропорциональный входному коду. Если величину опорного напряжения младшего разряда принять 1 В, то при подаче кода 1010 на выходе ЦАП мы получим напряжение в 10 В.
Процесс аналого-цифрового преобразования обычно более сложный и занимает больше времени, чем цифроаналоговое преобразование; кроме того, существует достаточно много различных методов выполнения этой операции.
В некоторых широко применяемых АЦП используют ЦАП, которые являются составной частью такого устройства.
В процессе работы такого преобразователя сравниваются выходное напряжение ЦАП и аналоговый сигнал. В начальный момент UВ = 0 и на выходе компаратора нулевой сигнал. Этот сигнал, проходя через инвертор, приходит на логический ключ И, открывая его, и с ГТИ импульсы попадают на вход счетчика импульсов. На выходе счетчика импульсов формируется двоичный код, который попадает на вход ЦАП.
В следствие этого на выходе ЦАП формируется выходной сигнал, который снова сравнивается с аналоговым сигналом. Последовательное увеличение кода на выходе счетчика на единицу увеличивает выходной сигналом. Последовательное увеличение кода на выходе счетчика на единицу увеличивает выходной сигнал на выходе ЦАП. Когда выходной сигнал ЦАП станет равным аналоговому сигналу или превысит его, на выходе компаратора появляется единица, которая закрывает ключ И. В этот момент происходит считывание двоичного кода с выхода счетчика. После этого счетчик обнуляется и начинается новый цикл. На рисунке выше приведена диаграмма работы данного АЦП.