Аналого-цифровые преобразователи

Главная

Новости

Библиотека

Исследования

Законодательство

Консалтинг

Бизнес-форумы

Контакты

Библиотека

12.6. Аналого-цифровые преобразователи

АЦП широко применяются в различных областях техники: радиолокации, управления технологическим оборудованием, измерительных приборах, обработки и отображения информации и т.д. Основные параметры АЦП: диапазон изменения аналогового сигнала, погрешность и время преобразования. АЦП осуществляет преобразование аналоговых сигналов в цифровой код. Общий вид 4-битного АЦП и таблица истинности его работы представлены на рис. 12.9.

Рис. 12.9. Общий вид 4-битного АЦП и его таблица истинности

Принцип действия АЦП иллюстрирует рис. 12.10.

Рис. 12.10. Принцип действия АЦП

Пусть на вход АЦП поступает линейно изменяющееся напряжение V_вх(t). В момент поступления тактовых сигналов (ТС), АЦП выполняет квантование этого сигнала путем сопоставления его с внутренним опорным напряжением V_оп. Существуют различные временные или пространственные способы формирования V_оп, определяющие типы АЦП. Например, с помощью резисторного делителя и внешнего источника напряжения можно образовать одновременный последовательный ряд напряжений, например, 0.2, 0.4, 0.6 и т.д., с которым сравнивается входной сигнал. Этот принцип реализуется в АЦП параллельного типа. В других АЦП последовательного действия сигнал V_оп может быть сформирован путем использования ЦАП и обратной связи.

Инструментальная погрешность (неточность) АЦП приводит к образованию ступенчатого пилообразного сигнала квантования V_кв. Каждой ступеньке сигнала V_кв в общем случае соответствует n-битный код, определяющий 2ⁿ дискретных уровней квантования. Таким образом, общий принцип функционирования АЦП заключается в дискретизации, квантовании и кодировании сигналов. Процесс квантования приводит к ошибке d, максимальное значение которой равно ±1/2 единицы младшего бита (ЕМБ), равного кванту аналоговой величины, например 0,2В, ошибку квантования d можно уменьшить путем увеличения числа битов выходного кода. Разрешающая способность АЦП определяется числом бит выходного кода или величиной аналогового напряжения (квантом), вызывающего изменения кода на одну ЕМБ.

С целью увеличения максимальной допустимой частоты аналогового сигнала и уменьшения динамической погрешности на входе АЦП используют устройство выборки / хранения (УВ/Х), позволяющее на короткое время зафиксировать мгновенное значение сигнала U_вх(t) с цепью дальнейшего его преобразования в соответствующий код. Необходимость хранения входного сигнала связана с неопределенностью значения этого сигнала в случае быстрого его изменения, что может без УВ/Х привести к динамической ошибке. Кроме того, УВ/Х употребляются в многоканальных АЦП для запоминания мгновенного значения какого-либо канала и его преобразования одновременно с переключением мультиплексора на следующий канал. На рис. 12.11 представлена схема связи АЦП и УВ/Х.

Рис. 12.11. Схема связи АЦП и УВ/Х

Сигналы ТС запускают АЦП на преобразование хранящихся отсчетов в УВ/Х. После того, как в АЦП завершается преобразование, на его выходе формируется сигнал «Конец преобразования» (КП), который поступает на вход аналогового ключа (К) и переводит УВ/Х в режим выборки (замыкания ключа), причем конденсатор С заряжается (разряжается) на соответствующую величину U_вх(t). В режиме хранения ключ размыкается на короткое время, необходимое для преобразования сигнала U_вх(t).

На рис. 12.12 изображена временная диаграмма работы УВ/Х.

Рис.12.12. Временная диаграмма работы УВ/Х

После поступления сигнала замыкания ключа начинается режим выборки входного аналогового сигнала, характеризующийся временем захвата (2,4,6,10 мкс и более). Время захвата определяется емкостью конденсатора и влияет на точность. Чем меньше время захвата (меньше емкость), тем меньше соответствующая точность и увеличивается падение напряжения в режиме хранения, но зато уменьшается время захвата. Падение напряжения в режиме хранения не должно быть больше единицы младшего бита.

С поступлением сигнала размыкания ключа выполняется режим хранения отсчета. В этом режиме апертурное время (20, 25 нс и более) см. рис. 12.12 указывает на время размыкания ключа и определяет максимально допустимую скорость изменения входного сигнала. Время установления (0,5, 0,8 мкс и более) задает интервал времени, после которого стабилизируется напряжение хранимого отсчета, но оно не остается постоянным в этом режиме из-за наличия утечки заряда конденсатора С.

На рис. 12.13 показаны схемы АЦП: а – следящий АЦП; б – интегрирующий АЦП.

Рис. 12.13. Схемы АЦП: а – следящий АЦП; б – интегрирующий АЦП

АЦП (см. рис. 12.10, а) построен на базе реверсивного счетчика (Сч) и непрерывно отслеживает аналоговое входное напряжение V_вх. Если V_вх>V_ц (V_ц- напряжение на выходе ЦАП), то на входе аналогового компаратора (К) формируется сигнал и содержимое Сч увеличивается при поступлении тактовых сигналов (ТС) до тех пор, пока V_вх не станет равным V_ц . При V_вх< V_ц происходит уменьшение содержимого Сч с помощью ТС. На выходах Сч формируется цифровой код, соответствующий V_вх при выполнении условия V_вх= V_ц.

В АЦП интегрирующего типа (см. рис. 12.10, б) содержится генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), формирующий пилообразные сигналы. Если напряжение ГЛИН (V_Г) меньше V_вх , то на выходе компаратора К формируется высокий уровень, разрешающий поступление ТС через элемент И на вход Сч. При равенстве V_Г и V_вх на выходах Сч устанавливается нужный код. Недостатком рассмотренных n-разрядных АЦП является большое время преобразования, равное (2ⁿ-1) периодам ТС.

АЦП последовательного приближения выполняет преобразование за n периодов ТС и относятся к преобразователям со средним и высоким быстродействием. Метод заключается в последовательном увеличении кода, начиная со старших разрядов, и преобразовании его для каждого разряда в соответствующее напряжение с помощью ЦАП с целью сравнения с величиной V_вх. На рис. 12.14 представлена структурная схема АЦП последовательного приближения.

Рис. 12.14. Структурная схема АЦП последовательного приближения

АЦП содержит регистр последовательного приближения (РПП), используемый для подбора цифрового кода, соответствующего V_вх. ЦАП преобразует цифровой код РПП в напряжение V_ц. Для последовательного перебора разрядов РПП предназначен распределитель сигналов, реализованный на базе Сч и дешифратора (Дш). Принцип работы ЦАП состоит в следующем. По сигналу «сброс» (Сбр) осуществляется сброс Сч в нулевое состояние и установка старшего разряда (СР) РПП в 1 и сброс всех остальных его разрядов в 0, т.е. в РПП фиксируется начальный код 1000...0. Затем происходит сравнение напряжений V_вх и V_ц и на выходе К формируется соответствующий сигнал управления (СУ). Если V_вх> V_ц, то при наличии сигнала СУ=1 от К содержимое РПП с приходом ТС изменяется в сторону увеличения и становится равным 1100...0, т.е. сигнал со второго выхода Дш выбирает следующий разряд после СР и устанавливает его в “1”. В том случае, если V_вх< V_ц, с поступлением ТС (при наличии сигнала СУ=0) содержимое РПП принимает значение 0100...0. Этот процесс просмотра разрядов продолжается до тех пор, пока не будет проверен последний младший разряд (МР). При описании работы АЦП предполагается, что не происходит изменение уровня V_вх. Для удержания постоянства уровня сигнала на входе АЦП применяют устройство выборки/хранения (несложную аналоговую схему, сохраняющую этот уровень на время преобразования).

Общий вид 16-канального АЦП с подключенным к нему устройством выборки/хранения показан на рис. 12.15.

Рис. 12.15. Общий вид микросхемы АЦП с УВ/Х

АЦП содержит 16 входных аналоговых каналов IN0-IN15, выбор каждого из которых выполняется с помощью 4-разрядного адреса, поступающего на входы A0-A3, и сигнала , фиксирующего адрес в АЦП. Пуск АЦП на преобразование выбранного напряжения осуществляется сигналом START. Для координации работы АЦП во времени используются сигналы синхронизации, подаваемые на вход CLK. Окончание преобразования аналогового сигнала указывается высоким уровнем сигнала EOC, который применяется для формирования сигнала прерывания. УВ/Х обеспечивает хранение отсчета в запоминающем конденсаторе для выполнения преобразования по выбранному каналу при сбросе EOC.

Для достижения высокой скорости при образовании цифрового кода используются АЦП параллельного преобразования, которые применяются в видеотехнике, радиолокации, в цифровых осциллографах и т.п. На рис. 12.16 изображена структурная схема такого АЦП.

АЦП параллельного приближения содержит: прецизионный делитель опорного напряжения (V_ОП), выполненный на резисторной цепочке; стробирующие компараторы (К), работающие в режиме слежения/хранения, и быстродействующий шифратор, преобразующий код от компараторов в выходной код АЦП. На выходах прецизионной цепочки резисторов последовательно формируются уровни напряжения, смещенные относительно друг друга на величину уровня младшего значащего разряда, т.е. V_оп постоянно уменьшается на величину кванта напряжения (DV). Компараторы до появления сигнала строб работают в режиме сравнения и имеют невысокий коэффициент усиления. В момент действия строба происходит увеличение коэффициента усиления и К переходят в режим хранения. Шифратор содержит несколько каскадов и предназначен для формирования позиционного двоичного кода. Часто в состав шифратора вводят регистры для запоминания информации с разных ступеней. В режиме работы АЦП происходит сравнение V_вх с напряжениями резисторной цепочки и на выходах компараторов формируется код 00...0111...1, т.е. компараторы, у которых V_вх больше напряжений с выходов резисторной цепочки, формируют на своих выходах 1. Недостатком АЦП является наличие сложного оборудования. Для n-разрядного АЦП необходимо 2ⁿ-1 компараторов. Скорость преобразования достигает 100 МГц при использовании 8-разрядного АЦП.

В связи с тем, что АЦП является сложным устройством, к его входу часто подключают аналоговый мультиплексор. С уменьшением стоимости АЦП все больше используется подход применения в каждом канале отдельного АЦП. Время преобразования параллельных 6,7-разрядных видеоАЦП находится в интервале 10-30нс.

В известных АЦП в основном используются методы последовательного приближения и параллельного преобразования с разрешением (количеством бит) 6, 7, 8, 10, 12 и более, типичным временем преобразования 15, 25, 100 мкс (АЦП последовательного приближения) и 10, 20, 30 нс (АЦП параллельного преобразования) и напряжением питания +5В, ±5В, +5В и ±15В.

В состав оборудования АЦП может входить тактовый генератор, источник опорного напряжения, буфер, схема программируемого диапазона входного сигнала, аналоговый мультиплексор, схема параллельного/последовательного вывода.

Оглавление

12. Устройства связи и преобразования информации

12.6. Аналого-цифровые преобразователи