Структурные схемы и принципы действия АЦП

 

7.2.1.1 АЦП представляют собой устройства, преобразующие амплитуду (уровни) или другие параметры аналоговых сигналов различной природы в цифровой вид. " Аналого-цифровые преобразователи" позволяют вводить информацию, содержащуюся в массиве аналоговых сигналов, поступающих от датчиков, измерительных приборов и других устройств, в цифровые вычислительные или управляющие устройства, блоки и системы, в которых производится обработка цифровой информации.

К настоящему времени разработаны и широко применяются несколько основных разновидностей АЦП:

- АЦП двойного интегрирования;

- АЦП последовательного счета;

- АЦП поразрядного уравновешивания (последовательного приближения);

-АЦП параллельного действия.

Основными параметрами преобразователей являются: динамический диапазон входных сигналов, передаточная характеристика преобразования, число уровней квантования, цена младшего значащего разряда (МЗР) преобразования (ширина канала), быстродействие, погрешности преобразования (дифференциальная и интегральная нелинейности преобразования).

7.2.1.2 Из всех видов АЦП наиболее простыми по принципу действия, но и наиболее сложными по конструктивной и технологической выполнимости являются АЦП параллельного действия.

На рисунке 7.6 представлена структурная схема АЦП параллельного действия, который содержит: источник опорного напряжения (Uоп), делитель опорного напряжения (R1-Rn), n компараторов (K1-Kn) равное числу уровней квантования, шифратор унитарного кода в двоичный код (D1). Каждый компаратор имеет входной дифференциальный каскад с двумя входами: инвертирующим и неинвертирующим. АЦП параллельного действия работает следующим образом. Делитель напряжений задает ряд опорных напряжений на всех, например, инвертирующих входах компараторов. Опорное напряжение на любом из компараторов определяется из выражения:

 

U_n= (U_оп/ N) × n,

 

где: N - число уровней квантования АЦП;

n - номер компаратора (номер канала квантования);

U_оп/ N - ширина канала (цена младшего разряда АЦП).

 

Rn – резисторы прецизионного делителя;

Kn – компараторы уровня сигналов;

D1 – шифратор унитарного кода в двоичный

 

Рисунок 7.6 – Структурная схема АЦП параллельного действия

 

Входное преобразуемое напряжение Uвх поступает на все неинвертирующие входы компараторы. По сигналу " Строб", поступающего с устройства управления, входное напряжение сравнивается каждым компаратором с опорным напряжением. Компараторы выдают на выходе результат сравнения в виде " 0" или " 1" в зависимости от знака разности между опорным и входным напряжениями на их двух входах. После окончания сравнения кодовая комбинация с компараторов в виде унитар­ного кода поступает на шифратор, который на выходе выдает двоичный код уровня входного сигнала. Если для преобразователя известна цена младшего разряда (ЦМР), то величина уровня входного сигнала определяется произведением ЦМР и десятичного выходного кода преобразователя.

АЦП параллельного действия обладают самым высоким быстродействием из всех видов преобразователей. Время преобразования у современных устройств такого вида составляет величину 5-10 нс. Эти АЦП отличаются сравнительно небольшим числом уровней квантования (6-8 и редко 9-10 двоичных разрядов) и средней величиной погрешности преобразования (интегральная нелинейность не менее (1-i) МЗР). Следует отметить также технологическую сложность производства АЦП этого вида из-за большого числа элементов каждого вида, примерно равному числу уровней квантования.

7.2.1.3 Принцип действия АЦП с двукратным интегрированием (АЦП ДИ) основан на последовательном интегрировании сначала входного преобразуемого напряжения, затем опорного напряжения интегратором. В АЦП ДИ входят следующие устройства: двухпозиционный электронный ключ Кл (рисунок 7.7), интегратор И, схема управления СУ, генератор тактовых импульсов ГИ, компаратор К и счетчик СТ.

 

Рисунок 7.7 – Структурная схема АЦП (ДИ)

 

При интегрировании входного сигнала в течении некоторого фиксированного времени Т напряжение на выходе интегратора изменится на величину:

	(1)

 

где: RC - постоянная времени интегрирования интегратора.

 

Если затем интегрировать опорное напряжение U_ОП противоположного знака, то напряжение на выходе интегратора примет исходное значение за некоторое время t, пропорциональное изменениям dU_C, т. е. величине U_ВХ.. В этом случае можно записать:

(2)

dU_С=tU_ОП/RC

 

Из выражений (1) и (2) находим:

	(3)

t = (U_ВХ./ U_ОП) Т

 

Таким образом, задача преобразования сводится к измерению фиксированного времени Т и переменного времени t, зависящего от U_ВХ. Время Т можно измерить, если заполнить полностью счетчик с фиксированной емкостью 2^N импульсами с тактовой частотой f. Тогда:

	(4)

Т= 2^N/ f

 

Следующим шагом (после заполнения счетчика) будет продолжение счета тем же счетчиком в течение времени t. При этом счетчиком за время t будет подсчитано число импульсов:

n= f × t,

(5)

откуда находим:

t = n / f

 

Подставляя в (3) выражения (4) и (5) получим:

	(6)

n= 2^N (U_ВХ / U_ОП)

 

Следовательно, в счетчике запишется цифровой двоичный код, пропорциональный U_ВХ.

Алгоритм работы схемы, приведенный на рисунке 7.7, будет следующим:

- схема управления СУ выдает команду на двухпозиционный ключ Кл и подключает U_ВХ к интегратору, одновременно сбрасывается счетчик СТ в " 0" состояние и начинается процесс интегрирования поданного напряжения. Выходное напряжение интегратора изменяется и при достижении порога срабатывания компаратора вызывает появление на его выходе изменение логического уровня;

- логический сигнал с выхода компаратора поступает на схему управления СУ, которая сигналом " Счет" открывает через элемент " И" счет импульсов в счетчике от тактового генератора;

- после заполнения счетчика и его самообнуления импульсом с номером счетчик с его старшего разряда поступает сигнал " Повтор" на СУ, по которому СУ переключает ключ Кл в положение U_ОП и процесс интегрирования повторяется для U_ОП. Одновременно продолжается счет импульсов с генератора в счетчике;

- в некоторый момент времени t компаратор возвращается в исходное со­стояние, счет в счетчике останавливается с числом подсчитанных импульсов

n= 2^N(U_ВХ./U_ОП), преобразование входного напряжения в цифровой код заканчивается;

- цифровой код со счетчика переписывается в регистр хранения по команде " Запись" с СУ. Следующий цикл преобразования происходит после переноса информации в регистр хранения с поступлением очередного импульса " Запуск".

К недостаткам АЦП (ДИ) можно отнести невысокое быстродействие. Однако, у них практически отсутствует зависимость погрешности преобразования от изменения параметров элементов схемы. Эти преобразователи обладают высокой точностью преобразования. Дифференциальная нелинейность может быть в пределах 0, 01 – 0, 1 цены МЗР, интегральная нелинейность – (0, 001-0, 01) МЗР.

7.2.1.4 АЦП с поразрядным уравновешивание АЦП (ПУ) нашли самое широкое распространение. АЦП (ПУ) характерны такие свойства, как большое число уровней квантования (до 12 -14 двоичных разрядов), среднее быстродействие (10 ⁵- 10 ⁶ преобразований в с). Существенным недостатком АЦП (ПУ) являются большие значения дифференциальной и интегральной нелинейностей (1/ 2 - 1 цены МЗР).

На рисунке 7.8 приведена структурная схема АЦП (ПУ), которая включает: регистр последовательных приближений (РПП), цифро - аналоговый преобразователь (ЦАП), компаратор (К), генератор тактовых импульсов (ГИ), регистр хранения (RG), схему управления (СУ), источник опорного напряжения (ИОН). В момент поступления сигнала " Пуск" со схемы управления СУ на регистр последовательных приближений начинается цикл преобразований в АЦП в следующей последовательности:

- сигналом " Пуск" в старший разряд РПП заносится лог. " 1", а в остальные разряды лог. " 0";

 

Рисунок 7.8 – Структурная схема АЦП (ПУ) и временная диаграмма, поясняющая принцип преобразования

- на выходе ЦАП появляется напряжение, равное половине опорного напряжения с ИОНа. Если U_ВХ > 1/2 U_ОП, то на выходе компаратора появляется лог. " 1", поступающая на РПП и в старшем разряде РПП сохраняется " 1", записанная при пуске преобразователя. В противном случае компаратор выдает “0” и в старшем разряде РПП стирается " 1" и записывается " 0";

- с поступлением второго импульса с ГИ на РПП происходит запись " 1" в следующий старший разряд и на выходе ЦАП формируется напряжение, соответствующее коду двух старших разрядов РПП, которое также может быть меньше или больше входного напряжения и во второй разряд РПП запишется " 0" или " 1" в зависимости от выходного состояния компаратора;

- далее происходит последовательное опробирование каждого следующего разряда РПП и последовательное сравнение входного напряжения и напряжения с ЦАП. После опроса младшего (последнего) разряда с РПП появляется сигнал " Конец преобразования" (КП), а в РПП будет записан код, соответствующий входному напряжению с погрешностью, равной + - 1/2 цены младшего значащего разряда;

- по сигналу " КП" схема управления вырабатывает сигнал " Запись" на регистр хранения и данные переносятся в RG. После этого цикл измерений повторяется по сигналу " Пуск" со схемы управления.

Российская электронная промышленность выпускает сейчас несколько типов АЦП (ПУ), например: 1113 ПВ1, 1108 ПВ2. АЦП ПУ 1113 ПВ 1 имеют выходные шинные формирователи с тремя состояниями и могут подключаться непосредственно к микропроцессорной системе и управляться от нее.