Устройства сопряжения с обьектом

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

__________________________________________________________________________ 

 
 
 
 
 
 

В.А. ЖМУДЬ 

 
 
 
 

УСТРОЙСТВА СОПРЯЖЕНИЯ 

С  ОБЪЕКТОМ 

 

Утверждено Редакционно-издательским советом университета  

в качестве учебного пособия 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

НОВОСИБИРСК 

2019 

УДК 621.38.061(075.8) 

Ж 774 

 

Рецензенты:  

д-р физ.-мат. наук, член-корр. РАН, профессор,  

директор Института лазерной физики А.В. Тайченачев; 

д-р техн. наук, профессор Г.А. Французова 

 
 

Работа подготовлена на кафедре автоматики  

для студентов АВТФ  

в качестве основного пособия по курсу  
«Устройства сопряжения с объектом»  

(бакалавриат, III курс, 5-й семестр) 

 
 

Жмудь В.А. 

Ж 774       Устройства сопряжения с объектом: учебное пособие / 

В.А. Жмудь. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 172 с.  

ISBN 978-5-7782-3809-1 

В пособии представлены схемы и описание принципа действия ос
новных узлов цифроаналоговой и аналоговой электронной техники, необходимых для соединения объекта управления с электронной управляющей системой. Основное внимание уделено аналого-цифровым и цифроаналоговым преобразователям, поскольку современные управляющие 
системы преимущественно реализованы на цифровой технике. Рассмотрены вопросы выбора частоты преобразования, разрядности, запоминания аналоговых сигналов на устройствах выборки-хранения, преобразования непрерывных сигналов в дискретные с использованием компараторов и триггеров Шмитта. Анализируется целесообразность коммутации АЦП, соединения нескольких ЦАП для повышения разрядности, 
рассмотрены задачи обеспечения гальванической развязки.   

 
 

УДК 621.38.061(075.8) 

 

ISBN 978-5-7782-3809-1 
© Жмудь В.А., 2019 

 
© Новосибирский государственный  

 
технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Введение .................................................................................................................. 5 

1. Основные принципы цифроаналоговых преобразований ........................ 9 

1.1. Базовые схемы ЦАП .................................................................................. 9 

1.2. Импульсное преобразование вместо ЦАП ............................................. 15 

1.3. ЦАП на ключах ......................................................................................... 16 

Вопросы для самопроверки ............................................................................ 17 

2. Проектирование радиоэлектронных узлов для ЦАП и АЦП ................. 18 

2.1. Электронные ключи и коммутаторы ...................................................... 18 

2.2. Устройства выборки-хранения ................................................................ 25 

2.3. Прецизионные источники опорных напряжений .................................. 39 

Вопросы для самопроверки ............................................................................ 46 

3. Цифроаналоговые преобразователи ........................................................... 47 

3.1. Принцип действия и основные типы ЦАП ............................................. 47 

3.2. Основные характеристики ЦАП ............................................................. 49 

Вопросы для самопроверки ............................................................................ 62 

4. Аналого-цифровые преобразователи .......................................................... 63 

4.1. Принцип действия и основные типы АЦП ............................................. 63 

4.2. Достоинства и недостатки различных АЦП ........................................... 79 

4.3. Моделирование работы АЦП .................................................................. 81 

Вопросы для самопроверки ............................................................................ 82 

5. Теорема Котельникова применительно к дискретизации сигналов .......... 84 

5.1. Теоретическая формулировка теоремы Котельникова ......................... 84 

5.2. Исследование фактической работы условий теоремы Котельни
кова путем моделирования ...................................................................... 88 

5.3. Обсуждение и выводы ........................................................................... 108 

5.4. О динамической и статической ошибке АЦП ...................................... 109 

Вопросы для самопроверки .......................................................................... 111 

6. Типовые транзисторные каскады, применяемые в аналоговых 

интегральных микросхемах ...................................................................... 112 

7. Нежелательность коммутации АЦП......................................................... 119 

7.1. Причины использования коммутации АЦП и основные схемы ......... 119 

7.2. Модельная демонстрация нецелесообразности коммутации  

сигма-дельта АЦП .................................................................................. 121 

7.3. Простейшая структурная схема АЦП ................................................... 125 

7.4. Схема с одним или несколькими УВХ ................................................. 127 

7.5. Схема без УВХ ....................................................................................... 130 

7.6. Многоканальная схема без коммутации ............................................... 132 

7.7. Моделирование работы АЦП без коммутации .................................... 133 

7.8. Моделирование работы АЦП с коммутацией ...................................... 136 

7.9. Ненадежный способ уменьшения ошибки преобразования при 

использовании схемы с коммутацией .................................................. 143 

7.10. Надежный метод снижения погрешности многоканального 

АЦП с коммутацией ............................................................................ 144 

7.11. Обсуждение и выводы ......................................................................... 149 

7.12. Некоторые зарубежные АЦП .............................................................. 151 

Вопросы для самопроверки .......................................................................... 156 

Заключение .......................................................................................................... 158 

Библиографический список ............................................................................... 159 

Приложение ......................................................................................................... 161 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Управление предполагает измерение выходного сигнала объекта  

Y(t), сравнение этого сигнала с предписанным его значением (заданием) V(t), вычисление и формирование управляющего воздействия U(t), 
подаваемого на объект с той целью, чтобы выходное значение стало 
равным предписанному. Следовательно, для преобразования сигналов 
Y(t) и V(t) в U(t) необходимо какое-то устройство. Традиционно на 
первых этапах развития систем управления для этих целей использовались устройства, выполненные полностью на аналоговой технике, 
которые называются регуляторами. Со временем с появлением цифровой техники для случаев медленно изменяющихся сигналов стали 
применяться цифровые устройства, выполняющие функции преобразования сигналов намного точнее. Однако даже в настоящее время 
цифровые регуляторы используются значительно реже, чем аналоговые, хотя состояние электронной техники, аналоговой и цифровой, 
давно уже таково, что от аналоговых регуляторов целесообразно отказаться в подавляющем большинстве случаев.  

Для применения цифровых регуляторов требуется следующее. 
1. Преобразование аналоговых Y(t) и V(t) сигналов в цифровые по
следовательности отсчетов этих сигналов. 

2. Преобразование полученных цифровых сигналов Y(t) и V(t) в 

цифровую последовательность требуемых отсчетов сигнала U(t), т. е. 
выполнение функций регулятора в цифровом виде. 

3. Преобразование цифровых последовательностей сигнала U(t) 

в соответствующий аналоговый сигнал. 

Кроме того, так как аналоговые сигналы могут не соответствовать 

диапазону преобразователя (см. п. 1), то потребуются согласующие 
преобразователи (усилители, фильтры).  

В связи с тем, что выходные сигналы, получаемые в результате пре
образования (см. п. 3), могут не соответствовать требованиям к сигналам, воздействующим на объект, могут потребоваться преобразователи 
этих сигналов в сигналы необходимой амплитуды и мощности.  

Таким образом, функциональная схема цифрового регулятора с 

этой точки зрения может быть представлена в том виде, как показано 
на рисунке. На этой схеме все, за исключением объекта и собственно 
цифрового регулятора, является предметом изучения дисциплины 
«Устройства сопряжения с объектом». 

Под согласующим входным каскадом может пониматься, прежде 

всего, датчик выходного сигнала объекта, а также усилитель (или аттенюатор), фильтр, устройство выборки-хранения, коммутирующие 
элементы или совокупность этих элементов. Применение различных 
датчиков само по себе может составить целую дисциплину, требующую отдельного изучения. 

Под согласующим выходным каскадом (приводом) может по
ниматься усилитель напряжения, усилитель тока, усилитель и 
напряжения, и тока (усилитель мощности) и другие функционально 
более сложные устройства, например, преобразователь напряжение–частота и другие, но в данном курсе такие устройства не рассматриваются. 

 

Объект 

управления

Согласующий 

входной
каскад

Цифровой 
регулятор  

(контроллер)

Аналогоцифровой 

преобразователь

Цифро
аналоговый 

преобразователь

Согласующий 

выходной 

каскад
(привод)

Предписанное 

значение

 

Рис. 1. Функциональная схема цифровой системы управления 

Согласующие каскады – это наиболее вариативные элементы си
стемы, поскольку они существенно зависят от особенностей объекта. 
Эти устройства и наиболее просты по своему принципу действия. 

 

Цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) несколько сложней по 

принципу действия, они изучаются в данном курсе достаточно подробно.  

Наиболее сложные устройства в этой схеме – это аналого-цифро
вые преобразователи. Они во многом определяют возможности всей 
системы, задают нижнюю границу достижимой точности и быстродействия, поэтому умение грамотно выбрать и использовать АЦП чрезвычайно важно.  

Литература по АЦП и ЦАП чрезвычайно разнообразна и много
численна.  

С позиции наиболее удачного методического изложения можно ре
комендовать книгу [1], в которой тематике АЦП и ЦАП посвящена 
восьмая глава (с. 305–355). Безусловно, эта книга устарела с позиции 
фактически достигаемых параметров современных АЦП и ЦАП, она 
не оптимальна для ознакомления с элементной базой, но в ней достаточно простым языком излагаются принципы действия основных видов этих устройств, приведены функциональные и принципиальные 
схемы, позволяющие легко изучить эти принципы и понять особенности различных типов таких устройств, что способствует корректному 
их выбору и применению.  

Современную элементную базу рекомендуется изучать по совре
менным справочникам. Однако справочники рассчитаны на специалиста, это не учебники, потому не всякий справочник подходит для студента. По этой причине мы рекомендуем пользоваться такими книгами, как «Пользовательский справочник», которые очень популярны в 
англоязычной литературе и носят название “User’s Guide”, но редко 
издаются на русском языке.  

Из новейших книг, переведенных на русский язык, можно реко
мендовать [2]. 

В этой книге больше внимание уделяется высокоскоростным пре
образованиям данных, приводится множество практических схем современных АЦП, приведены архитекторы ЦАП, даются ссылки на 
программы для моделирования их работы, даже даны рекомендации 
по разработке топологии печатных плат, описываются программы для 
разработки высокоскоростных систем. 

Отметим, что современные АЦП характеризуются высокой ско
ростью преобразования и при этом большой разрядностью. Их применение требует особой конструкторской и инженерной грамотности 
для  проектирования  электрической  схемы  и  для  ее  изготовления. 

К счастью, производители таких микросхем прекрасно это понимают, 
поэтому, во-первых, снабжают справочники полным пакетом сведений 
о рекомендуемых схемах включения и о топологии разводки; во-вторых, поставляют так называемые «оценочные платы» или наборы 
(Evaluation Boards, Evaluations Kits), которые представляют собой готовые АЦП (а чаще несколько каналов АЦП и несколько каналов ЦАП 
на одной плате) со всеми необходимыми элементами, включая фильтры, усилители, выходные (буферные) усилители, интерфейс для связи 
(с регистрами ввода и вывода) и даже источник питания (называемый 
«сетевой адаптер») и соответствующий набор кабелей для коммутации 
со стандартными портами.  

Поэтому разработчику зачастую даже не требуется заниматься раз
водкой печатных плат, и даже их пайка сводится к минимуму – достаточно грамотно соединить используемые датчики (и, возможно, предварительные усилители) с входами такой платы и используемые драйверы с выходными шинами этой платы. 

 

1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ЦИФРОАНАЛОГОВЫХ 

ПРЕОБРАЗОВАНИЙ 

1.1. Базовые схемы ЦАП 

Наиболее ответственные узлы, связывающие цифровой регулятор с 

объектом, – это аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП). Изложение удобнее начинать с 
ЦАП, поскольку он, как правило, проще и даже в ряде случаев является частью АЦП. Для понимания того, как реализуются те или иные 
функции на практике, мы будем возвращаться к некоторым типовым 
узлам и рассматривать электрические схемы для их реализации, а также обсуждать, что необходимо знать и учитывать при проектировании 
и использовании таких узлов. Однако практика показала, что если при 
изучении данного материала излишнее внимание уделять элементной 
базе, то студенты теряют к нему интерес, после чего уже плохо усваивают основные структуры ЦАП и АЦП.  

На рис. 1.1 показан пример простейшего ЦАП [2]. Принцип дей
ствия такого ЦАП понять легко, если уметь читать условные обозначения. В этой схеме коммутируются источники тока, поэтому объединение их выходов в одной точке допускается. На выход обязательно 
должен быть включен нагрузочный резистор с малым сопротивлением 
(на схеме он не показан).  

Как правило, это вход операционного усилителя, охваченного об
ратной связью. Предположительно, нагрузка включается между шинами Выход и Выход, т. е. ток может протекать как в прямом направлении, так и в обратном.  

 
 
 

Рис. 1.1. Схема ЦАП на три разряда 
на основе источников токов с отно- 
     сительной кратностью 1:2:4 

Следовательно, в зависимости от состояния ключа величина дан
ного тока может быть добавлена со знаком «плюс» или со знаком «минус» к суммарному току через нагрузочный резистор. Общая точка 
источников тока A, B, C соединена с общей шиной схемы. Если подключен только источник A, то в нагрузку уходит ток со значением одной условной единицы, например 1 мкА. Источник B дает ток половинного значения, например 0,5 мкА, а источник C дает ток в четверть 
значения, в данном случае 0,25 мкА. Если, например, сопротивление 
нагрузки равно 1 кОм, то в случае подключения всех трех источников 
в отрицательном направлении на этом сопротивлении будет сформировано напряжение –1,75 В, а в случае подключения всех источников в 
положительном направлении на нагрузке будет сформировано напряжение +1,75 В. На рис. 1.2 показана схема сопряжения выхода такого 
ЦАП с операционным усилителем. Рекомендуется обеспечивать соотношения R1 = R2, R3 = R4, R5 = R6, R1 << R3, R3 << R5. Если использовать 
только один токовый выход, то можно задать R3 = R2 = R6 = 0, R1 = 
= R4 = ∞, значение R5 задает коэффициент преобразования тока в 
напряжение. 

ЦАП 

по схеме 
рис. 1.1

Выход

Выход

R3

R4

R5

R6

R1

R2
 

Рис 1.2. Пример простейшего ЦАП на три разряда 

Можно получить таблицу состояний выходного напряжения в за
висимости от состояния ключей. Например, обозначим замкнутый 
ключ кодом «1», а разомкнутый ключ – кодом «0».  

В табл. 1.1 приведено значение напряжений в зависимости от по
данного входного кода (младшие разряды – левее, старшие – правее). 
Нетрудно видеть, что это значение равно U = – 1,75 + 0,5N, где N – десятичное число, соответствующее двоичному коду. Поскольку каждый 
ток может либо вычитаться, либо прибавляться, то шаг по току соответствует удвоенному значению тока наименьшего источника, а шаг 
по напряжению равен этому току, умноженному на сопротивление 
нагрузки. Недостаток такой схемы состоит в необходимости наличия 
трех источников тока с соотношением значений формируемых ими 
токов 1:0,5:0,25, при этом значение тока (как и соотношение их) должно поддерживаться с высокой точностью. В книге [2] приводится также схема с использованием одинаковых источников тока, как показано 
на рис. 1.3, но это техническое решение нецелесообразно, поскольку, 
по сути, вместо источников A и B здесь используется соответственно 
четыре или два источника тока типа C.   

Т а б л и ц а  1.1 

Напряжение на резисторе 1 кОм в зависимости  

от кода на входе ЦАП 

Код
Напряжение, В
Десятичное число N

000
–1,75
0

001
–1,25
1

010
–0,75
2

011
–0,25
3

100
0,25
4

101
0,75
5

110
1,25
6

111
1,75
7

Рис. 1.3. Пример ЦАП, такого же, как показанный на рис. 1.2, 
при использовании нескольких одинаковых источников тока  
             вместо источников на различные значения тока 

Безусловно, этот принцип очень расточителен, так как требуется 

множество источников тока. Рассмотренная схема обладает еще целым 
рядом существенных недостатков [2], которые нецелесообразно обсуждать, поскольку в таком виде ЦАП не применяются, данная схема 
интересна лишь как пример для анализа в познавательных целях. Действительно, для 8-разрядного ЦАП по схеме, изображенной на рис. 1.3, 
потребовалось бы 255 источников тока и 255 переключателей, а по 
схеме, изображенной на рис. 1.1, потребовалось бы изготовление 
восьми источников тока на различные значения тока, соответственно 
равные 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 и 128 единицам.  

Из приведенного примера видно, что простая, на первый взгляд, 

задача не так проста, как кажется, а требует инженерного решения на 
уровне искусства схемотехники.  

На практике можно сочетать принципы, примененные в схемах, 

изображенных на рис. 1.1 и 1.3. Такая архитектура называется «сегментированной» [2]. На рис. 1.4 показан вариант включения резистивной матрицы для получения ЦАП из книги [1]. 

Этот вариант не хорош тем, что суммирование токов осуществляется 

на сопротивлении нагрузки Rн. Кроме того, матрица, в которой суммируются напряжения, характеризуется меньшим быстродействием, чем