Převod analogového signálu
Převod číselně vyjádřené hodnoty z CPU na analogový signál probíhá v D/A převodníku, kdy každému bitu slova číselného vyjádření hodnoty odpovídá dílčí
hodnota analogového signálu podle váhy konkrétního bitu. Výsledný analogový signál je pak součtem těchto dílčích (váhových) hodnot.
Převod digitálního signálu (hodnoty) na analogový signál se řeší proudovým nebo napěťovým převodníkem.
Proudový převodník
Proudový převodník, s využitím "n" proudových zdrojů podle obrázku 2 využívá žebříčkovou odporovou síť s odpory velikosti 2R a R.
 |
Obrázek 2.
Principielní schéma proudového převodníku.
|
Princip převodu je takový, že podle aktivních bitů datového slova (digitální hodnoty) jsou nastaveny jednotlivé interní přepínače, které určují připojení daného bodu sítě ke svorce IO nebo /IO. Celková kombinace stavu jednotlivých bitů datového slova
a tím i stav přepínačů potom určuje výsledný proud, který protéká body IO nebo /IO přes zatěžovací odpory RL1,2, případně ze vstupů (+) a (-) následujícího operačního zesilovače, na jehož výstupu je napěťová hodnota. Odstupňování váhy proudu dílčích proudů musí odpovídat váze jednotlivých bitů datového slova. Nejnižší bit datového slova 20 ovlivňuje výstupní hodnotu nejméně, má nejnižší významovou váhu, danou počtem bitů datového slova (1/2n) a naopak, nejvyšší bit 2n ovlivňuje výstupní analogovou hodnotu nejvíce (50% rozsahu). U bipolárních převodníků je bit 2n určujícím
pro kladnou/zápornou hodnotu výstupního analogového signálu. Tento bit je ve vyjádření hodnoty pomocí čísla integer se znaménkem nejvyšším bitem slova. Principielní schéma na obrázku 1 je pro realizaci bipolárního převodníku nutno upravit doplněním odporu ROFFSET mezi UREF a sčítací bod (-),
kterým se posune nulový bod.
Napěťový převodník
Převodník R-2R
Napěťový převodník s využitím "n" napěťových úrovní tvořených žebříčkovou odporovou sítí je uveden na obrázku 3.
 |
Obrázek 3.
Principielní schéma napěťového převodníku R-2R.
|
Princip převodníku je obdobný jako v předchozím případě, tedy kombinace váhových bitů datového slova určuje stav odpovídajících interních přepínačů a tím i napětí v součtovém bodě před výstupním operačním zesilovačem. Váha jednotlivých bitů datového slova má shodný význam, tedy bit 20 má nemenší váhu a nejméně ovlivňuje výstupní hodnotu, bit 2n má nejvyšší váhu a výstupní hodnotu ovlivňuje v 50% rozsahu. Na rozdíl od proudově řešeného převodníku musí být bity k žebříčkové síti přiřazeny obráceně. Bez zapojeného odporu ROFFSET pracuje převodník jako unipolární, s tímto odporem jako bipolární, kdy je posunut nulový bod převodníku.
Převodník s váhovými odpory
Napěťový převodník s váhovými odpory je uveden na obrázku 4.
 |
Obrázek 4.
Principielní schéma napěťového převodníku s váhovými odpory.
|
Princip převodníku je velmi jednoduchý, jedná se o prostý odporový dělič s proměnným (řízeným) odporem, kdy je napětí závislé na kombinaci aktivních bitů datového slova a tím i stavu interních spínačů, které připojují váhové odpory k referenčnímu napětí. Váhové odpory musí hodnotově odpovídat váze jednotlivých bitů datového slova. Čím více bude aktivních bitů datového slova, tím více bude sepnuto spínačů a tím více odporů bude paralelně připojeno na UREF a proud odporem RΣ ve sčítacím bodě bude větší a tím bude i vyšší napětí v tomto bodě. Vzhledem k tomu, že má každý váhový bit přiřazen odpor o velikosti odpovídající váze konkrétního bitu, ovlivní výsledné napětí ve sčítacím bodě podle své významové váhy. Stejně jako v předchozích případech, je takto realizovaný převodník unipolární a je možno jej upravit na bipolární posunutím nulového bodu.
Vyjádření hodnoty analogového signálu
Hodnota analogového signálu se obvykle vyjadřuje číslem velikosti slova, tedy 16. bitů, charakteru integer. Nejvyšší bit je ve slově vyhrazen pro znaménko, u unipolárních signálů vždy =0, u bipolárních signálů =0 pro kladné hodnoty, =1 pro hodnoty záporné.
Přesnost převodníku
Uvážíme-li velikost obvyklého čísla integer v binární soustavě v rozsahu -32.768 ... +32.767 dostaneme limitní přesnost, s jakou je možno nastavit hodnotu výstupního analogového signálu,
tj. rozsah 15 bitů + znaménko. V praxi se však málo využívá nejnižší bit slova (20), proto je maximální přesnost ještě poloviční.
Využitelný rozsah čísla integer ještě neznamená, že analogový signál generován s maximální možnou přesností, kterou je možno vyjádřit na zbylých 14 bitech.
Z důvodu nižší ceny analogových modulů se vždy nevyužívá všech možných 14 bitů slova (+ znaménko + nejnižší bit = 16) ale pouze ty nejvyšší, tedy používají
se i levnější převodníky, které mají aktivních pouze 12, 10, 8 bitů (čím méně bitů, tím nižší přesnost), přitom tyto bity jsou do výstupního slova vkládány
od 15. bitu (214) směrem k nižším bitům, (16 bit je znaménko). Zbylé, nevyužité, bity až k 1. bitu (20) jsou v digitálně/analogovém převodníku ignorovány, tedy jako by byly nastaveny na
hodnotu 0 (nula). Toto řešení je důležité z toho důvodu, že potom je stejná velikost analogového signálu vždy vyjádřena stejnou hodnotou na nejvyšších
bitech slova a odchylka nastává až na nižších bitech podle počtu využitých bitů - přesnosti převodníku. V tabulkách dále je pracováno se šířkou slova 16 bitů včetně znaménka.
Číselný rozsah hodnoty výstupního analogového signálu
Aby byla situace ještě trochu komplikovanější, neodpovídá maximální hodnotě analogového signálu maximální číselné vyjádření. Aby bylo možno
zpracovat signál o velikosti např. 10V, musí mít převodník rozsah větší, než je uváděn jako nominální. Tím je možno generovat výstupní analogovou hodnotu,
která je větší než nominální. Pokud je překročení nominální hodnoty malé, je hodnota převodu stále správná a to ještě i s požadovanou přesností a linearitě. Při vyšším překročení rozsahu již nelze zaručit přesnost výstupu ale hodnota ještě mění svoji velikost podle změny vstupní číselné hodnoty. Pokud
je vstupní číselná hodnota příliš velká, převodník již nemůže dále na výstupu sledovat číselnou hodnotu na vstupu a analogová výstupní hodnota dosáhne limitního stavu.
Standardně je nominální velikost analogového signálu vyjádřena číselnou hodnotou 0 ... +27.648 u unipolárního a -27.648 ... +27.648 u bipolárního
analogového signálu slova integer se znaménkem proto, aby nedocházelo k limitaci výstupního analogového signálu přesně s dosažením nominální hodnoty.
Přehled hodnot vyjádření analogového signálu je uveden v tabulce 1 pro bipolární signál a v tabulce 2 pro unipolární signál.
dekadická
hodnota |
%
rozsahu |
datové slovo (bit) |
rozsah |
| 215 |
214 |
213 |
212 |
211 |
210 |
29 |
28 |
27 |
26 |
25 |
24 |
23 |
22 |
21 |
20 |
| >32511 |
>117,589000 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
přetečení |
| 32511 |
117,589000 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
překročení |
| 27649 |
100,004000 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
| 27648 |
100,000000 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
nominální |
| 1 |
0,003617 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
| 0 |
0,000000 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| -1 |
-0,003617 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
| -27648 |
-100,000000 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| -27649 |
-100.004000 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
překročení |
| -32512 |
-117,583000 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| <-32512 |
<117,583000 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
přetečení |
Tabulka 1
Hodnoty pro bipolární signál.
dekadická
hodnota |
%
rozsahu |
datové slovo |
rozsah |
| 215 |
214 |
213 |
212 |
211 |
210 |
29 |
28 |
27 |
26 |
25 |
24 |
23 |
22 |
21 |
20 |
| 32767 |
>117,589000 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
přetečení |
| 32511 |
117,589000 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
překročení |
| 27649 |
100,004000 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
| 27648 |
100,000000 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
nominální |
| 1 |
0,003617 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
| 0 |
0,000000 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
| <0 |
<0.000000 |
1 |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
x |
přetečení |
Tabulka 2
Hodnoty pro unipolární signál.
Reprezentace hodnot výstupního analogového signálu
Digitálně analogový převodník používá jeden univerzální výstup, vždy se stejným rozsahem 0 ...100% (unipolární) nebo -100% ... +100% (bipolární). Výstup je pak nutno upravit analogovým obvodem pro výstup napětí nebo proudu. Konkrétní reprezentaci hodnoty pro různé signály jsou uvedeny v tabulkách: 3 (bipolární signály), 4 (unipolární signály).
dekadická
hodnota |
napětí |
proud |
rozsah |
| ± 10V |
± 5V |
± 1V |
± 20mA |
| >32511 |
11,759 |
5,879 |
1,175 |
23,52 |
přetečení |
| 32511 |
11,759 |
5,879 |
1,175 |
23,52 |
překročení |
| 27649 |
|
|
|
|
| 27648 |
10,000 |
5,000 |
1,000 |
20,00 |
nominální |
| 20736 |
7,500 |
3,750 |
0,750 |
15,00 |
| 1 |
|
|
|
|
| 0 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
0,00 |
| -1 |
|
|
|
|
| -20736 |
-7,500 |
-3,750 |
-0,750 |
-15,00 |
| -27648 |
-10,000 |
-5,000 |
-1,000 |
-20,00 |
| -27649 |
|
|
|
|
překročení |
| -32512 |
-11,759 |
-5,879 |
-1,175 |
-23,52 |
| -32512 |
-11,759 |
-5,879 |
-1,175 |
-23,52 |
přetečení |
Tabulka 3
Reprezentace hodnot pro bipolární signály napětí a proud.
dekadická
hodnota |
napětí |
proud |
rozsah |
| 1-5V |
0-10V |
0-20mA |
4-20mA |
| >32511 |
5,704 |
11,759 |
23,520 |
22,810 |
přetečení |
| 32511 |
5,704 |
11,759 |
23,520 |
22,810 |
překročení |
| 27649 |
|
|
|
|
| 27648 |
5,000 |
10,000 |
20,000 |
20,000 |
nominální |
| 20736 |
4,000 |
7,500 |
15,000 |
16,000 |
| 1 |
|
|
|
|
| 0 |
1,000 |
0,000 |
0,000 |
4,000 |
| -1 |
1,000 |
ne |
ne |
4,000 |
překročení |
| <-1 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
0,000 |
přetečení |
Tabulka 4
Reprezentace hodnot pro unipolární signály napětí a proud.
|
