Описание принципов работы АЦП и ЦАП (аналого-цифрового преобразователя и цифро-аналогового)

Современная электроника отличается высокой продуктивностью за счет использования микроконтроллеров и процессоров, работающих с цифровыми сигналами по программным алгоритмам. Но многие датчики, микрофоны и сенсоры генерируют аналоговые сигналы. Например, звук и другие электрические колебания имеют аналоговую структуру. Поэтому для ввода информации в микроконтроллер очень часто требуется аналого-цифрового преобразователь (АЦП). Для вывода цифровых кодов на аналоговую нагрузку необходимо цифро-аналоговое преобразование (ЦАП). Вместе с экспертами компании «ЗУМ-СМД» подробнее рассмотрим назначение и принцип действия ЦАП и АЦП.

Свойства аналоговых сигналов и цифровой информации

Под понятием аналогового сигнала понимается действующее значение напряжения, которое быстро или медленно меняется по закону непрерывной функции. Это может быть синусоидальный или импульсный сигнал, плавно изменяющийся или имеющий резкие перепады. Форма его может быть:

• с периодическим изменением полярности — переменный сигнал;
• не меняющийся направлением тока — постоянный.

Цифровой сигнал представляет собой последовательные пакеты дискретных величин напряжения, соответствующие определенным цифровым значениям. Он может состоять из совокупности сигналов, передающихся одновременно по нескольким линиям, которые называются шиной. Чем больше количество линий в шине, тем большую плотность информации он может содержать.

Преобразование цифровых и аналоговых данных

Преобразование ЦАП происходит следующим образом:

1. Цифровой сигнал подается на специальный контроллер.
2. Программа распознавания цифровых значений работает по определенному алгоритму, который называется протоколом.
3. Контроллер подключает набор резисторов, образующих делитель напряжения, в зависимости от команд, содержащихся в системе, после обработки сигнала согласно протоколу.
4. С выхода делителя напряжения, образованного ключами ЦАП-контроллера, после фильтрации высокочастотных составляющих, требуемый аналоговый сигнал подается на вход усилителя или повторителя.

Линии ввода данных микроконтроллеров не могут считывать информацию с аналоговых сигналов, но в некоторых микроконтроллерах есть встроенные АЦП. Если их нет, а функция конвертации аналогового сигнала в цифровой необходима, то используются специальные микросхемы АЦП. Их принцип работы схож с ЦАП, только в обратной последовательности.

Последовательная же шина цифрового интерфейса имеет только одну линию потока постоянно меняющихся данных. Для надежной распознаваемости цифровых значений она имеет еще одну дополнительную линию синхронизации. Пример такого интерфейса — USB 2.0. Для преобразования из линии передачи в аналоговые сигналы медиаданных используются специальные контроллеры ЦАП. Например, в:

• наушниках Bluetooth;
• звонках;
• музыкальных проигрывателях цифровых носителей информации;
• исполнительных устройствах «умного» дома и пр.

Аналоговый сигнал передается всегда только по одной линии, при этом подвергается воздействиям помех. Передача цифрового сигнала не вносит искажений такого характера. Помехи и сбои цифрового интерфейса могут проявляться только временными задержками. На качество самого сигнала влияет градация преобразования. И только незначительные искажения вносятся системой преобразования.