Аналого – цифровые
преобразователи (АЦП) это устройства, принимающие аналоговые сигналы и
вырабатывающие на выходе цифровые сигналы, пригодные для работы ЭВМ и других
цифровых устройств. Характеристика преобразования отражает зависимость
выходного цифрового кода от входного постоянного напряжения. Характеристика
преобразования может быть задана графически, таблично или аналитически.
Напряжение межкодового перехода – точка, в которой равновероятны обе из соседних кодовых комбинаций.
Шаг квантования – разность соседних значений напряжений межкодового перехода.
Напряжение смещения нуля – параллельный сдвиг характеристики преобразования относительно оси абсцисс.
Отклонение коэффициента преобразования – погрешность в конце характеристики преобразования.
Нелинейность АЦП – Отклонение действительного значения входного напряжения в данной точке от действительного значения, определяемого по линеаризованной характеристике преобразования в той же точке. Выражается в числе шагов квантования или по отношению к максимальному входному напряжению в процентах.
Дифференциальная нелинейность – отклонение действительных шагов квантования от их среднего значения.
1. Частота дискретизации – частота, с которой происходит образование выборочных значений сигнала, измеряется числом выборок в секунду, или в герцах.
2. Время преобразования – время от импульса запуска АЦП или от времени изменения аналогового входного сигнала до появления устойчивого кода на выходе. Для одних АЦП эта величина зависит от входного сигнала, для других является постоянной. При работе без УВХ эта величина является апертурным временем.
3. Частотная погрешность коэффициента передачи - погрешность образования выборочных значений при работе с изменяющимися сигналами. Определяется для синусоидального входного сигнала. (Для АЦП К1107 ПВ2 8 разр., 80 МГц: П = 7 МГц по уровню 0.99).
4. Апертурное время – время, в течение которого сохраняется неопределенность между значением выборки и временем, к которому она относится. Состоит из апертурного сдвига и апертурной неопределенности.
В зависимости от того, как развертывается процесс преобразования во времени, АЦП делятся на:
1. Последовательные
2. Параллельные
3. Последовательно – параллельные.
АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением.
На
вход преобразователя поступает положительное напряжение. Счетчик предварительно
установлен в нуль, поэтому на выходе ЦАП напряжение тоже равно 0. При этом на
выходе компаратора установлена лог.1. На вход схемы 3И-НЕ поступают импульсы от
генератора тактовых импульсов. Однако, так как в триггер R-S записан лог.0, то импульсы на вход счетчика не проходят.
После импульса запуска R-S триггер переходит в состояние с лог.1 на выходе и на вход счетчика начинают поступать тактовые импульсы. Число, записанное в счетчик начинает увеличиваться и соответственно увеличивается напряжение на выходе ЦАП. В некоторый момент оно сравнивается с входным напряжение на входе преобразователя, компаратор переключается в лог.0. и импульсы перестают поступать на вход счетчика. Этот сигнал от компаратора поступает также на вход RS триггера, переключая его в состояние лог.0 на выходе, что окончательно останавливает процесс преобразования. Полученный код на выходе соответствует напряжению на выходе ЦАП младшего разряда, или входному аналоговому сигналу с точностью до единицы. Далее процесс может быть повторен.
Минимальный период тактовых импульсов можно найти из условия:
Тмин ≥ tкомп. + tцифр. + tцап + tRC, где:
tкомп – задержка срабатывания компаратора,
tцифр. – задержка счетчика,
tцап – время установления ЦАП,
tRC – задержка RC – цепочки.
Пример. Рассчитаем время преобразования АЦП с числом разрядов 10.
Используемые элементы:
ЦАП – К572 ПА1 : число разрядов N = 10, время установления выходного напряжения tцап = 5 ∙ 10-6 сек. При Vоп = 10В шаг квантования
ЕМР = 10/(210 –1) = 10 мВ.
КОМПАРАТОР – 521 СА3 - при dV = 3 мВ tкомп = 100 нсек.
Постоянную времени RC выберем равной 0.5 ∙ 10-6 сек.
tцифр = 0.05 ∙ 10-6 сек,
Тмин ≥ 0.1 + 0.05 + 5. 0 + 0.5 = 5.65 мксек.
Время измерения максимального входного сигнала:
(210 – 1) ∙ 5,65 ∙ 10– 6 сек = 6мсек, частота дискретизации равна 160 Гц.
Апертурное время – 6 мсек.
АЦП этого типа применяются с УВХ, или для преобразования медленно меняющихся сигналов. Погрешность АЦП определяется точностными параметрами применяемого ЦАП.
Разновидность АЦП этого типа – следящие АЦП производят преобразование непрерывно. Они используют реверсивный счетчик, а компаратор определяет направление счета. При Vвх < Vцап счетчик считает вверх, в при Vвх > Vцап счетчик считает вниз. Таким образом напряжение Vцап постоянно стремится быть равным Vвх. Максимальная скорость отслеживания входного сигнала равна: dVвх./dt < ЕМР/ Тмин.
АЦП последовательных приближений.
Процедура определения выходного кода определяется регистром последовательных приближений. В начале в регистр во все разряды записаны лог.0. Напряжение на выходе ЦАП при этом равно нулю. Далее в старший разряд регистра записывается лог.1. Если выходное напряжение ЦАП при этом все еще меньше входного напряжения (на выходе компаратора установлена лог.1, то далее значение лог. уровня в этом разряде сохраняется. Если же напряжение на выходе ЦАП больше Vвх., то данный разряд обнуляется и далее записывается лог.1 в следующий разряд. Таким образом определяются значения всех разрядов, включая младший. После этого выдается сигнал готовности и цикл измерения может быть повторен.
Данный
тип ЦАП имеет преимущество в быстродействии по сравнению с предыдущим ЦАП,
поэтому он используется наиболее широко. Время преобразования у него равно
Тмин ∙ N.
Тмин – минимальное значение периода повторения тактовых импульсов определяется аналогично предыдущему ЦАП, N – число разрядов.
Пример: у интегрального АЦП 1108 ПВ2 на кристалле расположены все элементы: ЦАП, источник опорного напряжения, регистр последовательного приближения, генератор тактовых импульсов, компаратор. N = 12, минимальное время преобразования - 2 мксек.
ЦАП с время – импульсным преобразованием (способ линейного кодирования).
В АЦП этого типа используется преобразование измеряемого напряжения в пропорциональный ему временной интервал, которых заполняется импульсами эталонной частоты. Этот временной интервал формируется генератором пилообразного напряжения (ГПН) и компаратором. Число импульсов считается счетчиком который и определяет выходной код АЦП.
Быстродействие такой схемы выше, чем у ЦАП со ступенчатым пилообразным напряжением, так как у него нет ЦАП и определяется быстродействием компаратора, счетчика. Время выключения компаратора выбирается при условии того перевозбуждения, которое обеспечивает необходимую погрешность сравнения входного сигнала и пилообразного напряжения.
Для уменьшения погрешностей генератор эталонной частоты и ГПН должны быть взаимно стабильными.
Описан АЦП: N = 10, f этал = 100 МГц, t преобр. = 10 мксек.
АЦП с двухтактным интегрированием.
Недостатком рассмотренных выше последовательных АЦП является их относительно низкая помехоустойчивость, что ограничивает их разрешающую способность. Повышение числа разрядов связано с использованием ЦАП повышенной точности, что удорожает производство таких АЦП.
Принцип двойного интегрирования в АЦП позволяет в значительной степени освободиться от этих недостатков. Полный цикл его работы состоит из двух тактов. В первом с помощью аналогового интегратора интегрируется входное напряжение за фиксированный интервал времени Т0. Этот интервал времени формируется счетчиком, на вход которого поступают импульсы от генератора с частотой fсч.
Интервал Т0 равен:
Т0 = Nmax ∙ tсч
Здесь tсч = 1/fсч - период частоты тактового генератора, Nmax - максимальная емкость счетчика, определяющая разрешающую способность АЦП.
Заряд на конденсаторе С после этого будет равен:
Во втором
такте происходит разряд конденсатора от источника опорного напряжения Vопорн. Полярность опорного напряжения противоположна
полярности входного сигнала, поэтому напряжение на конденсаторе С начинает
уменьшаться. Счетчик в это время считает импульсы генератора тактовой частоты fсч, начиная от нулевого состояния. В момент времени, когда
компаратор проходит через нуль, счет прекращается и число записывается в выходной
регистр. Заряд q2, разрядивший конденсатор равен:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.