Структура и алгоритм работы АЦП

Действие аналого-цифровых преобразователей в принципе достаточно просто: в них происходит преобразование дискретизированных аналоговых сигналов в соответствующую последовательность двоичных чисел. Однако сделать это можно многими способами, включая линейную импульсно-кодовую модуляцию (ИКМ), дифференциальную импульсно-кодовую модуляцию (ДИКМ), дельта модуляцию (ДМ), адаптивную дельта модуляцию (АДМ), и другие методы.

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).

 

В отсчетах аналогового сигнала получаются иррациональные числа бесконечной длительности, задачей АЦП ставится представление аналоговой величины в виде конечного числа.

Основные способы преобразования:

· Преобразование аналоговой величины в частоту;

· Метод пилообразного напряжения;

· Метод линейного интегрирования;

· Методы сравнения;

· Метод последовательного приближения;

· Параллельный метод;

· Модифицированный метод.

 

 

2.4.1 Параллельные АЦП

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

являются АЦП параллельного действия.

На рис 2.3 представлена структурная схема АЦП параллельного действия, который содержит: источник опорного напряжения (U_оп), 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:

 

Un=(Uоп/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 2.3– Структурная схема АЦП параллельного действия

 

Входное преобразуемое напряжение U_вх поступает на все неинвертирующие входы компараторов. 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.

 

2.4.2 АЦП с поразрядным уравновешиванием

 

 

Рисунок 2.4 – Структурная схема АЦП (ПУ) и временная диаграмма, поясняющая принцип преобразования

 

АЦП (ПУ) включает в себя: 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";

- 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.

АЦП с поразрядным уравновешиванием 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).