6.2. Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) – это устройства, предназначенные для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. Для такого преобразования необходимо осуществить квантование аналогового сигнала, т. е. мгновенные значения аналогового сигнала ограничить определенными уровнями, называемыми уровнями квантования.

Характеристика идеального квантования имеет вид, приведенный на

рис. 6.5

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h – шаг квантования). К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и другие. Число разрядов – количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность ( ) – 1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10 мВ. Время преобразования – интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Рис. 6.5

Квантование представляет собой округление аналоговой величины до ближайшего уровня квантования, т. е. максимальная погрешность квантования равна ±0,5h (h – шаг квантования). К основным характеристикам АЦП относят число разрядов, время преобразования, нелинейность и другие. Число разрядов – количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может вырабатывать АЦП. Часто говорят о разрешающей способности АЦП, которую определяют величиной, обратной максимальному числу кодовых комбинаций на выходе АЦП. Так, 10-разрядный АЦП имеет разрешающую способность ( ) – 1, т. е. при шкале АЦП, соответствующей 10В, абсолютное значение шага квантования не превышает 10 мВ. Время преобразования – интервал времени от момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Характерными методами преобразования являются следующие: последовательного и параллельного преобразования аналоговой величины.

Метод последовательного преобразования реализуется в АЦП время-импульсного преобразования (АЦП с генератором линейно изменяющегося напряжения – ГЛИН). Принцип действия рассматриваемого АЦП (рис. 6.6) основан на подсчете числа импульсов в отрезке времени, в течение которого линейно изменяющееся напряжение (ЛИН), увеличиваясь от нулевого значения, достигает уровня входного напряжения U_BX. На рисунке использованы следующие обозначения: СС – схема сравнения, ГИ – генератор импульсов, Кл – электронный ключ, Сч – счетчик импульсов. Отмеченный во временной диаграмме момент времени соответствует началу измерения входного напряжения, а момент времени соответствует равенству входного напряжения и напряжения ГЛИН. Погрешность измерения определяется шагом квантования времени. Ключ Кл подключает к счетчику генератор импульсов от момента начала измерения до момента равенства U_ВХ и U_глин. Через обозначено напряжение на входе счетчика. Код на выходе счетчика пропорционален входному напряжению. Одним из недостатков этой схемы является невысокое быстродействие.

Рис. 6.6

Р

Рис. 6.7

ассмотрим еще один вариант АЦП с последовательным преобразованием входного cигнала (последовательного счета), который называют АЦП со следящей связью (рис. 6.7). В АЦП рассматриваемого типа используются ЦАП и реверсивный счетчик, сигнал с которого обеспечивает изменение напряжения на выходе ЦАП. Настройка схемы такова, что обеспечивается примерное равенство напряжений на входе U_ВХ и на выходе ЦАП – U. Если входное напряжение U_ВХ больше напряжения U на выходе ЦАП, то счетчик переводится в режим прямого счета и код на его выходе увеличивается, обеспечивая увеличение напряжения на выходе ЦАП. В момент равенства U_ВХ и U счет прекращается и с выхода реверсивного счетчика снимается код, соответствующий входному напряжению.

Рассмотрим АЦП с двойным интегрированием, который также реализует метод последовательного преобразования входного сигнала (рис. 6.8). На рисунке использованы следующие обозначения: СУ — система управления, ГИ — генератор импульсов, Сч — счетчик импульсов. Принцип действия АЦП состоит в определении отношения двух отрезков времени, в течение одного из которых выполняется интегрирование входного напряжения интегратором на основе ОУ (напряжение U_И на выходе интегратора изменяется от нуля до максимальной по модулю величины), а в течение следующего — интегрирование опорного напряжения U_ОП (U_И меняется от максимальной по модулю величины до нуля) (рис. 6.9). Пусть время t₁ интегрирования входного сигнала постоянно, тогда чем больше второй отрезок времени t₂ (отрезок времени, в течение которого интегрируется опорное напряжение), тем больше входное напряжение.

Рис. 6.8

К люч КЗ предназначен для установки интегратора в исходное нулевое состояние. В первый из указанных отрезков времени ключ К1 замкнут, ключ К2 разомкнут, а во второй отрезок времени их состояние является обратным по отношению к указанному. Одновременно с замыканием ключа К2 импульсы с генератора импульсов ГИ начинают поступать через схему управления СУ на счетчик Сч. Поступление этих импульсов заканчивается тогда, когда напряжение на выходе интегратора оказывается равным нулю. Напряжение на выходе интегратора по истечении отрезка времени определяется выражением

. (6.4)

Используя аналогичное выражение для отрезка времени , получим

. (6.5)

Подставив сюда выражение (6.4),получим

, (6.6)

откуда

. (6.7)

Код на выходе счетчика определяет величину входного напряжения.

Одним из основных преимуществ АЦП рассматриваемого типа является высокая помехозащищенность. Случайные выбросы входного напряжения, имеющие место в течение короткого времени, практически не оказывают влияния на погрешность преобразования. Недостаток АЦП – малое быстродействие.

Рассмотрим АЦП с параллельным преобразованием входного аналогового сигнала. По параллельному методу входное напряжение одновременно с помощью компараторов сравнивают с “n” опорными напряжениями и определяют, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. При этом результат получают быстро, но схема оказывается достаточно сложной.

Р

Рис. 6.10

ассмотрим принцип действия такого АЦП (рис. 6.10). При U_вх = 0, поскольку для всех ОУ, используемых в качестве компараторов, разность напряжений ( ,( напряжения относительно общей точки соответственно неинвертирующего и инвертирующего входа) напряжения на выходе всех ОУ равны – , а на выходах кодирующего преобразователя (КП) Z0, Z1 Z2 устанавливаются нули. Если U_ВХ больше 0,5 U, но меньше 3/2 U, то только для нижнего ОУ и лишь на его выходе появляется напряжение , что приводит к появлению на выходах КП следующих сигналов: Z0 = 1, Z2 = Z1 = 0. Если > 3/2 U, но меньше 5/2 U, то на выходе двух нижних ОУ появляется напряжение , что приводит к появлению на выходах КП кода 010 и т. д.

Работа преобразователя представлена с помощью таблицы 6.2. В данной таблице единицей отражено состояние компараторов, когда на их выходах имеет место напряжение , и нулем , – входное напряжение, U – падение напряжения на одном резисторе. Чем больше входной сигнал, тем большее количество компараторов имеет единичное состояние. Кодирующий преобразователь преобразует унитарный код на выходах компараторов в двоичный, в данном случае в трехразрядный.

Таблица 6.2

Для данной схемы требуется компараторов и резисторов (n – разрядность кода на выходе преобразователя).

Наиболее распространенными АЦП являются микросхемы серий 572, 1107, 1138 и др.