Классификация АЦП, основные методы построения. Основные параметры АЦП. Последовательный АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением

Классификация АЦП, основные методы построения. Основные параметры АЦП.

1.1  Основные методы построения АЦП.

В основу классификации положена аналогия процессов аналого-цифрового преобразования и измерения длины отрезка, в соответствии с которой выделены три классических метода: подсчета, итерационный и прямой.

В последнее время наибольшее распространение получил подход к классификации, основанный на том, как во времени развертывается процесс преобразования аналоговой величины в цифровую. В основе преобразования выборочных значений сигнала в цифровые эквиваленты лежат операции квантования и кодирования. Они могут осуществляться с помощью либо последовательной, либо параллельной, либо последовательно-параллельной процедуры приближения цифрового приближения цифрового эквивалента к преобразуемой величине.

Исходя из этого целесообразно разделить методы построения АЦП на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. При этом надо иметь в виду, что последовательную процедуру можно реализовать с помощью как единичных, так и двоично-взвешенных  приближений. Таким образом, все АЦП можно разделить на последовательные с единичными и двоично-взвешенными приближениями; параллельные; последовательно-параллельные.

Рассмотрим на примерах особенности построения АЦП каждого класса и ориентировочные границы их применения с точки зрения достижимых точностей и быстродействия.

Последовательный АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением. Этот преобразователь является типичным примером последовательных АЦП с единичным приближениями (рис. 1) и состоит из компаратора, счетчика и АЦП. На вход компаратора поступает входной сигнал, а на другой - сигнал обратной связи с ЦАП. Работа преобразователя начинается с прихода импульса запуска, который включает накопительный счетчик . Выходной код последнего подается на ЦАП, осуществляющий его преобразование в напряжение обратной связи. Процесс преобразования продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи сравняется с входными напряжениями и сработает компаратор, который своим выходным сигналом прекратит поступление счетных импульсов на счетчик и осуществит считывание с его выходного кода, представляющего цифровой эквивалент входного напряжения в момент окончания преобразования.

Рис.1 Структурная схема последовательного АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением (а) и временная диаграмма, поясняющая его работу (б)

На этом рисунке цифрами обозначено: 1 - источник опорного напряжения; 2 - ЦАП (преобразователь код - напряжение); 3 - генератор счетных импульсов; 4 - схема управления; 5 - счетчик.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению и при числе двоичных разрядов счетчика m и периоде следования счетных импульсов Dt_СЛ равно

.

Например, при  m=10 и Dt_СЛ=1 мкс (соответствует f_СЛ = 1 МГц) t_{ПР.МАКС}=1024мкс, что обеспечивает максимальную частоту работы АЦП порядка 1 кГц.

Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора, при этом надо иметь в виду, что частоту счетных импульсов необходимо выбирать с учетом завершения переходных процессов в них.

Таким образом, общими особенностями последовательных АЦП с единичными приближениями являются небольшая частота дискретизации, достигающая несколько килогерц, и малые статические погрешности порядка шага квантования 10...12-ти разрядных АЦП. Достоинством АЦП данного класса является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования. Их основные области применения - цифровые вольтметры постоянного тока