4.2. Аналогово-цифрові перетворювачі (ацп)
Аналогово-цифрові перетворювачі формують цифровий код (як правило двійковий), пропорційний миттєвому значенню вхідної напруги шляхом її порівняння з набором еталонних напруг.
За способом формування вихідного коду розрізняють:
послідовні АЦП,
паралельні АЦП,
послідовно-паралельні АЦП,
АЦП з проміжним перетворенням.
4.2.1. Послідовні ацп
Формують розряди вихідного коду послідовно в часі. Найпоширенішою є структурна схема послідовних АЦП, з ЦАП в ланці зворотного зв`язку, що наведена на рис.4.13.
Рис. 4.13
ЦСУ
– цифрова система управління, що
синхронно з імпульсами тактової напруги
формує двійковий код:
.
(4.17)
За допомогою ЦАП двійковий код перетворюється в пропорційну йому компенсаційну напругу
,
(4.18)
де
опорна напруга;
,
– розрядність вихідного коду.
За умови рівноваги вхідної та компенсаційної напруг, компаратор формує сигнал, за яким зчитується вихідний код, що відповідає рівню вимірюваної напруги.
В залежності від способу врівноважування вхідної напруги компенсаційною (вихідною напругою ЦАП), а отже і структури ЦСУ, розрізняють такі типи послідовних АЦП:
АЦП розгортувального врівноваження.
Графіки роботи такого АЦП представлені на рис. 4.14.
Рис. 4.14
В кожному
циклі перетворення код управління ЦАП
зростає від 0-го значення, з кроком
,
що відповідає одиниці молодшого розряду.
В момент порівняння компенсаційної та
вхідної напруг код АЦП зчитується, після
чого компенсаційна напруга обнуляється
і починається новий цикл перетворення.
Таким чином час перетворення пропорційний
величині вхідної напруги. Його максимальне
значення складає величину:
.
(4.19)
Найпростіша
реалізація ЦСУ – лічильник, на вхід
якого подаються тактові імпульси, а на
вхід установки
вихідна напруга компаратора.
АЦП слідкувального типу
Код
управління ЦАП з кожним тактовим
імпульсом зміщується в бік зменшення
різниці між вхідною та компенсаційною
напругою на величину
.
В залежності від величини цієї різниці,
розрізняють:
режим установки
;режим відслідковування
.
Діаграми роботи такого АЦП наведені на рис.4.15.
Рис. 4.15.
Максимальний час перетворення у найгіршому випадку такий самий, як і в попередній схемі.
Найпростіша реалізація схеми управління – реверсивний лічильник, напрямом ліку якого керує компаратор (збільшення або зменшення).
АЦП порозрядного врівноважування
Рис. 4.16
З кожним тактовим імпульсом одиничне значення приймає кожен з розрядів вихідного коду ЦСУ, починаючи зі старшого. Відповідний йому еталон
.
(4.20)
залишається в компенсаційній напрузі, якщо її миттєве значення не перевищує рівня вхідної напруги. Тобто
,
;
,
.
Компенсаційна напруга змінюється по закону
,
(4.21)
де
– розрядність АЦП,
i-тий
розряд коду (
або
).
Процес врівноважування відбувається у напрямку від старших розрядів до молодших.
При
порозрядному врівноважуванні на першому
такті включається 1-й (старший) розряд,
з вагою
.
Компаратор виконує порівняння вхідної
напруги
з компенсаційною
.
В залежності від знаку різниці між
та
,
перший розряд або залишається увімкненим
(
),
або скидається (
).
На
другому такті вмикається 2-й розряд з
вагою
,
проводиться порівняння
з величиною
.
За результатами порівняння 2-й розряд
скидається (
)
або не скидається (
)
. В третьому такті включається 3-й розряд
і т. д.
В кінці
врівноваження
,
тобто
.
(4.22)
Тривалість
циклу перетворення
в АЦП порозрядного врівноважування є
постійною
та не залежить від вимірюваної величини
і
пропорційна розрядності
.
.
(4.23)
Циклічний АЦП
Схема аналогової частини циклічного АЦП та часові діаграми управляючих сигналів, що виробляються цифровою частиною АЦП, наведені на рис.4.17 та рис.4.18.
Рис.4.17. Рис.4.18.
Процес перетворення аналогової величини (напруги) відбувається у відповідності з алгоритмом:
,
(4.24)
де
,
при
;
,
при
;
номер розряду вихідного коду
;
число розрядів коду
;
опорна напруга.
Схема
аналогової частини циклічного АЦП
(рис.4.17) включає в себе два пристрої
вибірки-збереження (ПВЗ1, ПВЗ2), перемикач
,
компаратор
,
суматор, зібраний на ОП
,
ключ
,
який керується компаратором
.
Процес перетворення пояснюється часовими діаграмами управляючих сигналів (рис.4.18), які виробляються цифровою частиною АЦП.
На
початку перемикач
знаходиться в положенні
,
ключ
розімкнений, ПВЗ1 неперервно слідкує
за вхідним сигналом (режим вибірки). При
надходженні управляючого сигналу
в момент часу
ПВЗ1
запам’ятовує рівень вхідної напруги
(режим збереження). Потім по команді
сигнал
з виходу ПВЗ1 переписується в ПВЗ2.
Одночасно з надходженням
,
перемикач
перемикається в положення
.
В результаті напруга
,
яка запам’яталася в ПВЗ2, буде надходити
на вхід суматора. На виході суматора
виробляється напруга
,
яка в момент часу
записується ПВЗ1. Компаратор
оцінює полярність вихідної напруги
ПВЗ2 і виробляє значення коефіцієнту
старшого розряду
.
Весь
цей процес повторюється n
разів (циклів), після чого на виході
компаратора
послідовно будуть сформовані значення
всіх розрядних коефіцієнтів. Час
перетворення дорівнює
,
де
час
формування значення одного розрядного
коефіцієнту.
Дана
схема забезпечує перетворення напруги
в діапазоні
з точністю до 9-ти розрядів.
Основною перевагою циклічних перетворювачів є простота схеми.
За недолік можна вважати невисоку швидкодію (приблизно 5мкс на один розряд вихідного коду).