Краткие теоретические сведения

 

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) предназначены для преобразования аналоговой величины (напряжения, тока) в цифровой код.

К основным типам АЦП относятся следующие.

На рисунке 8.1, а показана функциональная схема последовательного АЦП. На один вход компаратора К поступает преобразуемое напряжение U _вх, на второй – напряжение пилообразной развертки с выхода ЦАП. В счетчике СТ2 при счете импульсов образуется линейно нарастающий код, который преобразуется с помощью ЦАП в линейно нарастающее (пилообразное) напряжение. В начале цикла преобразования счетчик устанавливают в нулевое состояние. Напряжение на выходе ЦАП равно нулю, при этом на выходе компаратора устанавливается напряжение логической 1. При подаче импульса разрешения «Строб» на счетчик начинается счет импульсов генератора тактовых импульсов (ГТИ), проходящих через открытый элемент И. При этом напряжение на выходе ЦАП линейно нарастает, пока не станет равным входному напряжению U _вх. В этот момент напряжение на выходе компаратора становится равным нулю, элемент И закрывается и счет импульсов в счетчике останавливается. Число, установившееся на счетчике, пропорционально U _вх и остается неизменным пока длится входной строб. После прекращения строба счетчик устанавливается в нуль и схема возвращается в исходное состояние. АЦП такого типа имеют низкое быстродействие, например, для получения 10 разрядов потребуется время 1024 тактов интервалов.

Более быстродействующими являются АЦП последовательного приближения (рис. 8.1, б), в которых в качестве регистра используется специальный регистр последовательных приближений [5]. После подачи импульса «Пуск» на выходе самого старшего разряда регистра появляется напряжение логической 1, следовательно, на выходе ЦАП появляется напряжение U ₁. Если это напряжение меньше U _вх, то включается логическая 1 на выходе следующего по счету разряда регистра, если больше, то «1» на выходе старшего разряда отменяется. Так, методом проб перебираются все разряды до самого младшего. На это требуется количество импульсов ГТИ всего в 2 раза больше, чем число разрядов. Самым быстродействующим является параллельный АЦП (рис. 8.1, в). Напряжение U _вх сравнивается в компараторах К с набором опорных напряжений, снимаемых с резистивного делителя. На тех компараторах, где U _вх больше, чем соответствующее напряжение с делителя, на выходе будет логическая 1, на остальных – логический 0. Шифратор (ШФ) преобразует цифровой код такого вида в двоичный. Быстродействие такого АЦП определяется в основном быстродействием компараторов и может быть до десятков наносекунд. Недостаток параллельного АЦП – аппаратурная сложность, определяемая числом компараторов, которое равно 2 ⁿ, где n – число двоичных разрядов.

Уменьшение числа компараторов и сохранение высокого быстродействия достигаются в двухтактных схемах (рис. 8.1, г). АЦП1 преобразует в цифровой код информацию старших разрядов. Этот цифровой код преобразуется ЦАП в напряжение, которое вычитается из U _вх. Разность напряжений преобразуется АЦП2 в код младших разрядов. Например, оба АЦП – 4-разрядные (по 16 компараторов), всего потребуется 32 компаратора, а если строить АЦП параллельного типа на 8 разрядов, то потребуется 2⁸ = 256 компараторов. Быстродействие такого АЦП несколько хуже (примерно в 2 раза), чем параллельного, но это окупается экономией числа компараторов.

В последнее время большое распространение получил способ аналого-цифрового преобразования с использованием сигма-дельта-модуля­торов. В этом способе обеспечивается гораздо более высокая разрядность (16-24) и высокое отношение сигнал/шум. Ведущей фирмой по разработке таких устройств является Analog Devices.

 Аналого-цифровые сигма-дельта-преобразования содержат два основных этапа: сигма-дельта-модуляцию и цифровое преобразование сигма-дельта-модулированного сигнала. Сигма-дельта-модулятор представляет собой преобразователь напряжения–частота, который синхронизован тактовой частотой f _т . Его выходной сигнал представляет собой последовательность единичных и нулевых посылок, длительность которых t = 1/ f _т, а общая частота следования – f _т .

Основными параметрами АЦП является разрядность и время установления. Как правило, параллельные АЦП имеют невысокую разрядность: 6 и 8, а время установления составляет 0,02 мкс. АЦП последовательных приближений имеют более высокую разрядность: 10 или 12, но их время установления составляет, например, 0,9 мкс. Кроме того, микросхемы АЦП различаются по виду цифровых микросхем, к которым их можно подключить (ТТЛ, МОП, ЭСЛ).

 

а)

 

 

б)

Рис. 8.1. Принципиальные электрические схемы АЦП:

а – последовательного; б – последовательного приближения;

в – параллельного; г – двухтактного

 

в)

 

г)

 

Рис. 8.1. Продолжение