30. Ацп. Схемы ацп. Технические характеристики.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП, ADC) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал).

Параллельные АЦП

Простейшим по пониманию принципов работы (но отнюдь не по внутреннему устройству) является параллельный аналого-цифровой преобразователь. Рассмотрим его работу на примере схемы трехразрядного параллельного АЦП, приведенной на рисунке 1.

(Вместо усилителей f должны быть компараторы КП.)

В этой схеме аналоговый сигнал Uвх подается на соответствующий вход АЦП. Одновременно на другой его вход подается опорное напряжение UREF. Это напряжение при помощи резистивного делителя (резисторов с одинаковым сопротивлением) делится на семь одинаковых уровней. Основой параллельного преобразователя являются семь аналоговых компараторов, которые сравнивают входной сигнал с опорным напряжением, подаваемым на их второй вход. Аналоговые компараторы представляют собой обычные усилители-ограничители с дифференциальным входом. Если напряжение на входе преобразователя меньше всех напряжений, подаваемых на опорные входы компараторов, то на всех выходах формируются нулевые уровни сигналов. Код на выходе линейки компараторов будет равен 0000000.

Постепенно повышая уровень входного сигнала можно превысить напряжение на опорном входе нижнего компаратора, на его выходе сформируется уровень логической единицы. Код на выходе линейки компараторов 0000001. При дальнейшем увеличении 0000011, 0000111, и тд. Максимальное значение кода 1111111 будет при превышении входным сигналом значения сигнала на опорном входе самого верхнего компаратора. Однако код, получаемый на выходе линейки компараторов, не является двоичным, поэтому для его приведения к двоичному виду потребуется специальная цифровая схема — преобразователь кодов. Количество разрядов должно быть на единицу меньше количества двоичных кодов. Для восьмиразрядного АЦП потребуется уже 256 компараторов, для десятиразрядного — 1023! «-» погрешность зависит от числа КП, их чувствительности и стабильности.

Последовательно-параллельные АЦП (8 разрядный)

В схеме восьмиразрядного последовательно-параллельного АЦП используются два параллельных четырехразрядных АЦП. Второй аналого-цифровой преобразователь оцифровывает ошибку квантования, выделяемую при помощи цифро-аналогового преобразователя и аналогового вычитателя. Для того чтобы в схеме можно было бы использовать одинаковые АЦП, сигнал ошибки преобразования первого аналого-цифрового преобразователя усиливается в 16 раз. В результате уровень сигнала на входе второго АЦП равен уровню сигнала на входе первого АЦП. Так как разрядность параллельных преобразователей снижена вдвое, то выигрыш по сложности реализации схемы составляет почти в десять раз! Прежде чем мы сможем сформировать на выходе восьмиразрядный двоичный код, необходимо чтобы сигнал был преобразован в цифровую форму первым АЦП, снова преобразован в аналоговую форму цифро-аналоговым преобразователем. Затем должен быть сформирован и усилен сигнал ошибки, и этот сигнал должен быть снова оцифрован, время преобразования входного аналогового сигнала возрастает в четыре раза. Все это время сигнал на входе преобразователя не должен меняться. Это означает, что в составе последовательно-параллельного АЦП должно находиться устройство выборки и хранения. (В цифровой части преобразователя разбиение на этапы производится при помощи параллельных регистров. В аналоговой части для этой цели служат устройства выборки и хранения. И на регистры и на устройства выборки и хранения подается тактовая частота аналого-цифрового преобразователя. Эта частота совпадает с частотой дискретизации входного аналогового сигнала.)

АЦП последовательного приближения

Эти преобразователи позволяют в течение одного периода тактового сигнала получить один двоичный разряд. То есть при каждом последующем измерении точность увеличивается на один десятичный разряд. Подобным образом можно проводить измерения и в двоичной системе счисления. В этом случае каждый раз точность измерения будет возрастать ровно в два раза.

Для сравнения неизвестного напряжения, поступающего с выхода устройства выборки и хранения, с эталонными напряжениями, поступающими с выхода цифро-аналогового преобразователя, воспользуемся уже известным нам аналоговым компаратором.

В первый момент времени после поступления первого тактового импульса на выходе регистра последовательного приближения формируется код половины полной шкалы преобразователя. Этот код соответствует двоичному числу 01111111. При подаче этого кода на входы цифро-аналогового преобразователя на его выходе появится напряжение, соответствующее половине полной шкалы входных напряжений (или, что то же самое, половине опорного напряжения Uоп, подаваемого на соответствующий вход цифро-аналогового преобразователя).При поступлении следующих тактовых импульсов этот код будет сдвигаться вправо, обеспечивая тем самым уменьшение веса разрядов ровно вдвое. В примере на рисунке 1, измеряемое напряжение превышает значение половины полной шкалы АЦП, на выходе аналогового компаратора появится уровень логической единицы. При поступлении второго тактового импульса этот сигнал запишется в старший разряд регистра последовательного приближения 10111111, напряжение на выходе ЦАП станет равным 3/4 от напряжения полной шкалы. (Если бы напряжение оказалось меньше 00111111, и напряжение 1/2 от полной шкалы.) При втором измерении превысит напряжение с выхода УВХ, поэтому на выходе компаратора появится нулевой уровень 10011111. На этот раз напряжение на выходе ЦАП уменьшится на 1/8 Uоп от предыдущего значения. После поступления на вход регистра последовательного приближения девяти тактовых импульсов мы получим полный 8-разрядный двоичный код, соответствующий входному напряжению 10101000. После завершения преобразования, на управляющем выходе регистра последовательного приближения появляется нулевой потенциал, показывающий, что преобразование закончено. Требуется, как минимум, N+1 тактовых импульсов (один такт на выдачу половинного напряжения и N тактов для получения N двоичных разрядов). Последовательный.