Аналого-цифровые преобразователи

12. 2. 1. Общая характеристика аналого-цифровых преобразователей. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой информации (обычно в виде напряжения) в цифровой код. Используют АЦП в микропроцессорных системах, в цифровых измерительных приборах. Во многом области их применения аналогичны ЦАП, поскольку они часто используются совместно, например, в автоматизированных системах управления (АСУ) (рис. 4.35).

Рис. 4.35. Аналого-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи в контуре управления

Основными параметрами и характеристиками АЦП являются:

Ø число разрядовn выходного кода;

Ø разрешающая способностьh — минимальный квант входного напряжения, за который выходной код изменяется на единицу младшего разряда;

Ø нелинейность δ_л — максимальное отклонение выходного кода от расчетного значения во всем диапазоне шкалы;

Ø абсолютная погрешность δ_A — наибольшее отклонение выходного кода от расчетного в конечной точке шкалы;

Ø время преобразованияt _пр — интервал от момента начала преобразования до появления на выходе установившегося кода; часто вместо t _пр быстродействие АЦП характеризуется частотой преобразования;

Ø диапазон и полярность входного напряжения, число источников питания, ток потребления, возможность общей работы с микропроцессорами.

В АЦП используются следующие методы преобразования:

Ø последовательного счета (с использованием ЦАП или с двухтактным интегрированием);

Ø поразрядного кодирования (последовательного двоичного приближения);

Ø параллельного действия (считывания);

Ø параллельно - последовательные (комбинированные).

Аналого-цифровые преобразователи последовательного счета. Метод последовательного счета с применением АЦП основан на уравновешивании входного напряжения суммой эталонов, подсчитываемых счетчиком. Момент уравновешивания определяется аналоговым компаратором.

Схема АЦП последовательного счета показана на (рис. 4.36 а). В ней по сигналу “Пуск” RS -триггер переключается в состояние “1” и разрешает прохождение импульсов от генератора G через элемент И на вход суммирования двоичного счетчика СТ 2.

Рис. 4.36. Аналого-цифровой преобразователь последовательного счета с ЦАП:

а — схема; б — временные диаграммы

Нарастающий цифровой код с выхода счетчиков СТ 2 преобразуется с помощью ЦАП в напряжение, которое подается на вход компаратора КОМП. На второй вход КОМП поступает измеряемое напряжение U _вх.

В момент равенства напряжений U _вх = U _ЦАП компаратор вырабатывает сигнал сброса триггера. После этого счет импульсов прекращается и на выходе счетчика СТ 2 фиксируется цифровой эквивалент входного напряжения. Время преобразования t _пр зависит от значения напряжения U _вх (рис. 4.36 б).

В АЦП с двухтактным интегрированием (рис. 4.37 а) преобразование реализуется за два такта. В первом такте сигнал “Пуск” переключает RS-триггер T 1 в состояние “1”. Входное напряжение – U _вх через ключ П 1, управляемый выходом Q ₁, поступает на интегратор ИНТ. Импульсы от генератора G через схему И-ИЛИ подаются на вход суммирования счетчика СТ 2. После подсчета 2 ⁿ импульсов (n — разрядность счетчика) сигнал с выхода Q_n старшего разряда счетчика СТ 2 сбрасывает триггер T 1 и устанавливает в состояние “1” RS -триггер T 2. На этом первый этап интегрирования заканчивается.

Рис. 4.37. Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным интегрированием:

а — схема; б — временные диаграммы

Во втором такте на интегратор поступает опорное напряжение плюс U _оп через ключ П 2, управляемый выходом Q ₂. Одновременно высокий уровень напряжения с выхода Q ₂ разрешает прохождение импульсов от генератора G на суммирующий вход счетчика СТ 2 (начинается новый счет).

В момент, когда напряжение на выходе ИНТ равно нулю, компаратор обнуляет триггер T 2, прохождение импульсов на вход счетчика блокируется, и на его выходах фиксируется цифровой код N_X, пропорциональный входному напряжению. Для интегратора приросты напряжений в первом и втором тактах равны (рис. 4.32 б):

U _вх (t ₂ – t ₁) = U _оп (t ₃ – t ₂).

Поскольку t ₂ – t ₁ = T ₀ 2 ⁿ, t ₃ – t ₂ = N_XT ₀, где T ₀ — период следования импульсов генератора G, то получим:

U _вх = (U _оп N_X) / 2 ⁿ. (4.47)

Пример 4. 2. При измерении десятиразрядный АЦП с опорным напряжением U _оп = 10 В, зафиксировал в счетчике число импульсов N_X = 455. Найти значение входного напряжения U _вх. На основе выражения (4.47) имеем:

U _вх =

Аналого-цифровые преобразователи с поразрядным кодированием. В схеме АЦП с поразрядным кодированием (уравновешиванием) входное напряжение U _вх сравнивается скачкообразно с выходным напряжением U _ЦАП по определенной программе (рис. 4.38 а).

Сигнал “Пуск” включает генератор периодических импульсов G и одновременно записывает единицу в старший разряд сдвигового регистра поразрядного приближения РгПП, а остальные разряды обнуляет. В первом такте с помощью компаратора КОМП сравниваются входное напряжение U _вх и напряжение с выхода ЦАП, соответствующее значению старшего разряда РгПП. Алгоритм сравнения следующий: если U _ЦАП > U _вх, то в следующем такте эта единица исключается, а вместо нее в РгПП добавляется следующая из соседнего разряда. Если же U _ЦАП < U _вх, то единица в старшем разряде сохраняется и к ней прибавляется единица из соседнего разряда и т.д.

Рис. 4.38. Аналого-цифровой преобразователь поразрядного кодирования:

а — схема; б — временные диаграммы

Преобразование заканчивается за время t _пр = n ₀ T ₀ + 1, где n ₀ — разрядность РгПП; T ₀ — период следования тактирующих импульсов. Временные диаграммы поразрядного уравновешивания для U _вх = 4,5 B и n = 4 показаны на (рис. 4.38 б).

Аналого-цифровой преобразователь параллельного и параллельно-последовательного действия. Принцип работы АЦП параллельного действия основан на одновременном сравнении входного сигнала с 2 ⁿ – 1 эталонами напряжений, где n — разрядность выходного кода. Сравнение осуществляется с помощью компараторов, результат сравнения запоминается в регистре и в дальнейшем шифруется в n -разрядный двоичный выходной код (рис. 4.39).

Рис. 4.39. Схема АЦП параллельного действия

В АЦП опорные напряжения формируются с помощью резистивного делителя. Каждое опорное напряжение U _{оп i} подается вместе с входным напряжением U _вх на входы соответствующих компараторов КОМП. Срабатывают только те компараторы, в которых U _вх > U _{оп i}. Результат сравнения через фиксирующие триггеры T подается на шифратор CD, который преобразовывает его в выходной n -разрядный двоичный код. Аналого-цифровые преобразователи параллельного действия являются наиболее быстродействующими, поскольку преобразование осуществляется за одну операцию сравнения. К недостаткам этого АЦП относится большое число источников опорного напряжения и соответствующих им компараторов.

Параллельно-последовательные АЦП имеют повышенную разрядность, высокое быстродействие и приемлемую сложность (рис. 4.40).

Рис. 4.40. Схема АЦП параллельно-последовательного действия

В таких комбинированных преобразователях несколько малоразрядных АЦП параллельного действия соединяются последовательно между собой.

Входной аналоговый сигнал подается на первый АЦП (АЦП1), на выходе которого формируются старшие разряды N _ст выходного кода. Эти разряды подключаются также на вход ЦАП. Выходной сигнал с ЦАП сравнивается в усилителе разности (УР) с входным сигналом. Усиленная разность этих сигналов подается на вход другого АЦП (АЦП2), который преобразует ее в выходной код N _мл младших разрядов.

12. 2. 2. Основные параметры и характеристики аналого-цифровых преобразователей. В АЦП используют методы поразрядного кодирования, последовательного счета с двоичным интегрированием и параллельного преобразования. Микросхемы АЦП выполняют по гибридной и полупроводниковой технологии. В последние годы выпускают, в основном, полупроводниковые АЦП. Основные параметры и харак­теристики некоторых полупроводниковых АЦП представлены в табл. 4.8.

Некоторые АЦП являются функционально законченными, однако большинство требуют дополнительных внешних элементов: операционных усилителей, источников опорного напряжения, генераторов тактовых импульсов, резисторов и конденсаторов.

Микросхемы АЦП обычно имеют диапазон изменения входного напряжения 0-10 В, а некоторые АЦП допускают использование двуполярного входного сигнала. Разрядность АЦП составляет 6-12, причем ряд АЦП допускают наращивание разрядности.

Таблица 4.9

Быстродействие АЦП определяется, в основном, методом преобразования и элементной базой (ТТЛШ, ЭСЛ, КМОП). Наибольшее быстродействие имеют АЦП параллельного действия на базе ЭСЛ-элементов (t _пр ≤ 20 нс). Преобразователи по уровням выходных сигналов согласуются с ТТЛШ-, ЭСЛ- и КМОП-микросхемами. Большинство современных АЦП совместимы с микропроцессорными устройствами. Выходные цепи в таких АЦП имеют три устойчивых состояния (лог. “0”, лог. “1” и “Z”).

Выходным кодом АЦП чаще всего является двоичный. В АЦП с двоичным интегрированием применяется двоично-десятичный код для сопряжения с индикаторами и измерительными приборами. Здесь для представления каждого десятичного знака используются четыре двоичных разряда. Используются также обратный и дополнительный коды.

Некоторые АЦП — это БИС аналого-цифровой системы сбора данных, включающей в свой состав, кроме преобразователя, многоканальный мультиплексор, оперативное запоминающее устройство, схемы буферов и управления.

Основными направлениями совершенствования АЦП являются:

Ø повышение быстродействия основных узлов, особенно компараторов;

Ø использование АЦП комбинированного действия;

Ø повышение точности преобразования, в частности, увеличение разрядности до 16 и более;

Ø снижение потребляемой мощности;

Ø достижение удобства и гибкости применения, особенно согласования с микропроцессорными устройствами.

Дата добавления: 2014-01-04