Входное напряжение можно компенсировать только в заданные дискретные моменты времени. АЦП такого типа берет выборки входного сигнала. Момент взятия выборки обычно задается импульсом запуска преобразования. Примером такого АЦП является АЦП последовательного приближения.
Рассмотрим более подробно следящий АЦП. Предположим, что (двоичный) счетчик на рис. 3.64(а) устанавливается в нулевое состояние в момент включения АЦП, при этом напряжение VС на выходе ЦАП будет равно нулю. Поэтому на входе компаратора, сравнивающего VС и VA, возникнет положительная разность напряжений VD = VA – VC. Выходной сигнал компаратора переключит счетчик в режим сложения, в котором содержимое счетчика увеличивается с частотой импульсов генератора. Напряжение VC будет нарастать ступеньками. Ширина этих ступенек по времени равна периоду следования импульсов, поступающих от генератора. В некоторой точке напряжение VC превысит входное напряжение VA. Тогда VD станет отрицательным, выходной сигнал компаратора изменится, и счетчик начнет считать в сторону убывания. Поэтому VC уменьшается, а VD становится положительным и т. д. В результате напряжение VC будет пошагово изменяться около значения VA. Величина результирующей ошибки квантования зависит от разрешающей способности внутреннего ЦАП. Цифровой сигнал на выходе D = аnаn-1а0 равен содержимому счетчика, которое определяет значение двоичных сигналов на входах ЦАП.
Рис. 3.64. (а) Пример следящего АЦП. (b) Компенсирующее напряжение Vc как функция времени сразу после включения.
Следящий АЦП способен относительно быстро следить за малыми изменениями во входном сигнале. Если однако, во входном сигнале имеются большие по величине изменения напряжения, то АЦП уже не сможет отследить его немедленно, так как он может приближаться к новому значению VA лишь постепенно, проходя через большое число ступенек небольшой постоянной величины (по лестничной функции). Время, необходимое для достижения нового значения VA зависит не только от величины скачка ΔVA входного напряжения, но также от величины элементарного шага V0 и частоты f0 генератора импульсов (см. рис. 3.64(b)). Время преобразования в этом случае равно:
,
поскольку разрешение r равно максимальному входному напряжению, которое может быть скомпенсировано АЦП, деленному на напряжение единичной элементарной ступеньки V0. Когда скачок входного напряжения ΔVA=Vmax, следящий АЦП работает медленнее всего, то есть время преобразования самое большое. Если рассмотрим 12-разрядный АЦП с тактовой частотой f0 = 200 кГц, то получим разрешение r = 212 и tc = 20,48 мс при ΔVA=Vmax.
АЦП последовательного приближения также основан на последовательном сравнении аналогового входного сигнала VA с компенсирующим выходным напряжением Vc, создаваемым ЦАП. После каждого сравнения, выполненного в фиксированный момент времени, выходной сигнал ЦАП подстраивается так, чтобы более точно приблизиться к входному напряжению. Детали этого процесса последовательного приближения показаны на примере, приведенном на рис. 3.65. В определенный момент на АЦП поступает импульс запуска. Величина входного напряжения VAна этот момент времени зафиксирована так называемым устройством выборки и хранения. Это делается для того, чтобы устранить ошибки вследствие изменений VAво время преобразования. Обозначим выборку входного напряжения через V'A. При первом сравнении V'Aи VАвыносится решение о том, что значение V'А больше или меньше половины полного значения Vmax. В рассматриваемом примере результатом является вывод «больше чем» и поэтому старший разряд аnустанавливается равным 1. На следующем шаге спустя фиксированный интервал времени, V'А сравнивается со значением 3/4 от Vмaх. В нашем примере результат снова «больше чем», поэтому ап-1 = 1. Таким образом, при i-ом сравнении компенсирующее напряжение Vc изменяется на величину, равную 2-iVmax. Если результат предыдущего сравнения устанавливает соответствующий бит равным 1, то очередное изменение производится в положительную сторону, если же бит устанавливается равным 0, то очередное изменение производится в отрицательную сторону. Если требуемое разрешение равно r, то необходимо выполнить r = п + 1 сравнений, чтобы приблизить Vc к V'А с точностью ±2-rVmax вольт.
После этих n + 1 сравнений преобразование закончено, и
АЦП ждет нового запуска. Время преобразования здесь фиксировано и равно
tc = (п + 1) / f0, где f0 – число сравнений в секунду.
При f0= 200 кГц и r=12 бит, время преобразования tcравно 60 мкс. Заметим, что эта величина не зависит от скачка входного напряжения. Поэтому для сигналов с большими скачкообразными изменениями, АЦП последовательного приближения быстрее, чем следящий АЦП. Если сигнал изменяется только плавно, то быстрее будет следящий АЦП.
Рассмотрим работу схемы, реализующей принцип последовательного приближения, воспользовавшись рис. 3.66 и 3.67. На этих рисунках схематически изображены АЦП без внутренней обратной связи, о которых шла речь в предыдущих примерах; здесь обсуждаются только АЦП с разомкнутой обратной связью. На рис. 3.66 показан один из таких АЦП без обратной связи.
Рис. 3.65. Процесс компенсации в АЦП последовательного приближения.
Входное напряжение VAзафиксировано устройством выборки и хранения на время, в течение которого выбранное значение преобразуется в цифру на выходе. Напряжение V'Aсравнивается с половиной всей шкалы Vmax, и находится значение бита ап. Если ап = 1, то напряжение, равное Vmax/2, вычитается из V'A, а если ап = 0, то V'Aпередается в следующую ячейку без изменения. Результат, полученный в первой ячейке, передается в следующую ячейку. Здесь он сравнивается Vmax /4 и определяется значение бита ап-1. Эта процедура продолжается до тех пор, пока не будут определены все п+1 битов. Все п+1 ячейки одинаковы; различаются только опорные напряжения, которые уменьшаются вдвое в каждой следующей ячейке. Поэтому уровень напряжения, с которым производится сравнение, постепенно становится меньше. Это сопровождается усложнением проблем, связанных с дрейфом, шумом и т. д.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.