3.3. Основные принципы построения ацп. Классификация ацп.

Все АЦП можно разделить на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные.

К последовательным АЦП относятся:

а) последовательные с единичным приближением, основанные на уравновешивании входного аналогового значения суммой минимальных (для данного преобразователя) по весу эталонов (квантов);

б) с двоично-взвешенным приближением, в которых уравновешивание входного аналогового значения осуществляется суммой n эталонов (n — число разрядов АЦП), взвешенных по двоичному закону;

в) с промежуточным преобразованием входного аналогового значения в интервал времени или частоту, с последующим преобразованием в цифровой код;

г) без промежуточного преобразования, к которым можно отнести преобразователи напряжение — частота, т. е. частота повторения выходных импульсов таких АЦП пропорциональна входному аналоговому значению;

д) интегрирующие АЦП, использующие в процессе преобразования операцию интегрирования входного аналогового сигнала за фиксированный интервал времени.

Параллельные АЦП основаны на использовании (2ⁿ - 1) эталонов с весами, отличающимися на один квант. Сравнение входного аналогового значения с каждым эталоном производится одновременно с помощью 2ⁿ-1 схем сравнения (компараторов).

Последовательно-параллельные АЦП подразделяют на:

а) многоступенчатые, в которых применяют несколько параллельных АЦП, работающих последовательно во времени;

б) многотактные, в которых один и тот же параллельный АЦП работает последовательно несколько раз с соответствующим управлением пороговыми напряжениями.

Рассмотрим основные разновидности АЦП.

3.4. Последовательные ацп

3.4.1. Последовательные ацп с единичным приближением.

Типичная схема последовательного АЦП с единичным приближением (АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением) дана на рис. 3.6, а. Импульс начала цикла преобразования, который в дальнейшем будем называть импульсом запуска, устанавливает триггер Т и при этом подключает счетчик Сч к выходу генератора импульсов G. Так как разряды счетчика соединены с разрядами ЦАП, то напряжение на выходе последнего U_цап увеличивается по ступенчатому пилообразному закону (рис. 3.6, б), причем значение ступени соответствует ЕМР АЦП. Процесс преобразования заканчивается, когда напряжение U_цап сравняется с входным напряжением U_вх (станет превосходить его). При этом компаратор К сбрасывает RS-триггер Т, прекращая тем самым поступление счетных импульсов на счетчик и фиксируя на его выходах код N, представляющий цифровой эквивалент входного напряжения в момент окончания преобразования.

Статическая погрешность преобразования рассмотренного АЦП определяется в основном суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора.

Быстродействие рассматриваемого АЦП, характеризуемое временем преобразования, определяется числом разрядов n и частотой счетных импульсов f_сч. Время преобразования АЦП данного типа является переменным и определяется уровнем входного напряжения. Максимальное время преобразования, соответствующее максимальному входному напряжению:

где t_сч = 1/f_сч - период следования счетных импульсов.

Так как число разрядов АЦП задается, время преобразования определяется частотой (периодом) счетных импульсов. Минимальный период импульсов t_сч необходимо выбирать из условия установления за это время всех переходных процессов с заданной погрешностью. Для схемы рис. 3.6:

где t_cч, — максимальное время установления (для самого неблагоприятного случая) переходного процесса в счетчике; t_цап — время установления ЦАП; t_T — время включения управляющего триггера; t_к, t_л — времена включения компаратора и логической схемы И.

П ри работе без УВХ динамическая погрешность, как уже отмечалось ранее, определяется временем преобразования АЦП, которое в данном случае заранее неизвестно и зависит от поведения аналоговой величины на входе. Поэтому в данном случае время преобразования играет роль апертурного времени. Учитывая невысокое быстродействие, АЦП данного типа без УВХ пригодны для работы только с медленно меняющимися сигналами, которые за цикл преобразования изменяются не более чем на значение шага квантования.

Рассмотренный АЦП легко превратить в АЦП следящего типа. Для этого в схеме рис. 3.6, а необходимо заменить суммирующий счетчик на реверсивный и использовать прямой и инверсный выходы компаратора для управления им (см. рис. 3.7). В этом случае при U_вх  U_цап выходной код АЦП колеблется вокруг среднего положения с точностью до ЕМР, как это имеет место в любой дискретной следящей системе. Если в состоянии динамического равновесия U_вx(t) начинает изменяться, то выходной код АЦП отслеживает его с погрешностью, равной ЕМР, при условии, что за период счетных импульсов t_сч входной сигнал изменится не более чем на значение шага квантования U, т. е.