Классификация ацп

Классификацию АЦП можно осуществлять по разным признакам: по схеме входа (одноканальные, многоканальные), по схеме выхода (с последовательным, параллельным) или по алгоритму преобразования.

Классификация по алгоритму преобразования наиболее распространена, но её проведение затруднительно из-за большого числа разновидностей одного и того же типа преобразователей, и, главным образом, из-за большого различия названий одного и того же типа преобразователей как в отечественной, так и в зарубежной литературе.

В дальнейшем будем придерживаться следующей классификации:

Все АЦП делятся на четыре группы:

• АЦП последовательного счета.

• АЦП поразрядного кодирования (взвешивания)

• АЦП считывания (параллельного действия)

• Комбинированные АЦП.

АЦП последовательного счета могут строиться как по разомкнутой, так и по схеме с обратными связями.

Разомкнутые АЦП чаще всего строятся с промежуточным преобразованием во временной интервал или в частоту следования импульсов.

Преобразование во временной интервал может проводиться за один или два такта работы.

В схемах АЦП последовательного отчета с обратными связями формируют ступенчатое пилообразное напряжение с помощью ЦАП в цепи обратной связи и сравнивают его с преобразуемым. Поэтому АЦП данного типа называют АЦП с цифровым интегрированием.

При использовании реверсивного счетчика в таком преобразователе можно организовывать следящий режим за изменением преобразуемой величины.

Во всех АЦП последовательного счета время преобразования зависит от величины преобразуемого напряжения. Его максимальное значение пропорционально максимальному числу уровней квантования.

АЦП поразрядного кодирования являются циклическими и могут строиться по разомкнутой схеме или с обратными связями. Время преобразования в них пропорционально числу разрядов формируемого кода. Их называют также АЦП последовательных приближений.

АЦП считывания являются самыми быстродействующими, но требуют большого количества оборудования. Процесс преобразования в них проводится параллельно за один такт. Поэтому их называют параллельными АЦП.

Стремление преодолеть противоречия между временем преобразования и затратами оборудования привело к развитию комбинированных алгоритмов преобразования, в которых применяются либо параллельно-последовательная обработка входных сигналов, либо использование в старших и младших разрядах преобразователя различных алгоритмов, например, поразрядного кодирования и считывания.

Аналого-цифровые преобразователи последовательного счета

В эту группу входят несколько типов АЦП, которые рассмотрим ниже.

Ацп с промежуточным преобразованием во временной интервал

Преобразователи данного типа называются также преобразователями времяимпульсного типа, так как в них преобразование производится поэтапно: сначала амплитуде входного сигнала ставится в соответствие пропорциональный ей временной интервал, а затем временной интервал преобразуется в код N_х.

Рассмотрим принцип работы такого АЦП с генератором линейного напряжения.

Рис. 124. АЦП последовательного счета с аналоговым интегратором

Рис. 125. Временные диаграммы работы АЦП

По сигналу «ПУСК» запускается ГЛН и устанавливается в «1» триггер «Т».

Генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛН) начинает формировать линейно-возрастающее напряжение U_э(t).

Сигнал «ПУСК» определяет начало временного интервала t_х. В момент равенства U_х(t)= U_э(t) управляющий сигнал с выхода компаратора «К» устанавливает триггер в «0», прекращая пропускание импульсов генератора опорной частоты (ГОЧ) через ключ на счетчик.

Таким образом, сигнал с выхода компаратора определяет конец формирования временного интервала t_хi.

Из рисунка видно, что

, ,

(182)

где , скорость измененияU_э(t).

Отсюда, очевидно, должны выполняться соотношения:

, ,,

(183)

где T – период линейной развертки ГЛН.

Если период следования импульсов ГОЧ _г, то из (288) следует, что выходной код:

,

(184)

то есть пропорционально входному напряжению.

Время цикла преобразования рассматриваемого АЦП определяется максимальной величиной временного интервала.

,

(185)

где Т_всп – время установки схемы в исходное состояние.

Время _г между импульсами ГОЧ должно быть не менее суммарного времени задержек сравнивающего устройства (компаратора) и цифровых элементов схемы.

Поэтому быстродействие АЦП данного типа не превышает нескольких тысяч преобразований, хотя известны интегральные АЦП на 10…12 разрядов с частотой ГОЧ 100…200 МГц и циклом преобразования до 40 мкс.

Для уменьшения динамических ошибок требуется включение на входе УВХ для фиксации входного напряжения на время цикла преобразования.

Точность данного АЦП определяется линейностью генератора линейно-возрастающего напряжения, точностью компаратора, стабильностью ГОЧ.

Постоянство скорости изменения напряжения генератора пилы характеризуется коэффициентом нелинейности .

.

(186)

При нелинейности рабочего участка пилы момент сравнения напряжения U_х и U_э смещается на величину Δt, что приводит к ошибке отсчета на величину

При микроэлектронном исполнении АЦП данного типа в качестве генератора пилы используются RC-интеграторы, выполненные на типовых ОУ:

Рис. 126. Схема интегратора

Нам известно, что ошибка данных интеграторов складывается из относительных ошибок резистора и конденсатора, ошибки ИОН, ошибок, вызванных дрейфом и конечностью коэффициента усиления ОУ.

Для типовых ОУ (153УД5, 140УД17) при Т=10 мкс суммарная относительная ошибка интегратора  0,025 %, но зависит от температуры, что соответствует 11…12 двоичным разрядам.