8.2. Аналого-цифровые преобразователи (ацп)

АЦП предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровые. АЦП применяются в информационно-измерительных системах и измерительно-вычислительных комплексах для согласования аналоговых источников измерительных сигналов с цифровыми устройствами обработки и представления результатов измерений. В настоящее время разработано много различных методов аналого-цифрового преобразования. Этим методам соответствуют устройства, различающиеся по точности, быстродействию, помехозащищенности, сложности реализации. На самом общем уровне АЦП можно классифицировать по следующим группам (рис. 8.1б):

1) АЦП счетного типа (последовательные);

2) АЦП считывания (параллельные);

3) Параллельно-последовательные АЦП;

4) Время- и частотно-импульсные АЦП.

Чтобы пояснить принципы действия АЦП первых трех групп, рассмотрим задачу измерения длины некоторого объекта, например крышки письменного стола. Пусть длина крышки составляет 120 см.

Первый вариант измерений получается, если в нашем распоряжении имеется мера длины в виде линейки в 1 см. Чтобы реализовать измерение, необходимо приложить к крышке стола мерную линейку последовательно 120 раз. Максимальная погрешность измерения в этом случае будет составлять  0,5 см.

Второй вариант измерений получается, если имеется мера длины в виде линейки в 150 см с ценой деления 1 см. В этом случае измерение реализуется за один прием (параллельно) прикладыванием мерной линейки к крышке стола и отсчетом длины с погрешностью также не более  0,5 см. Ясно, что при одинаковой точности измерений во втором случае время измерения в 120 раз меньше, однако требуется более сложное измерительное устройство (мерная линейка большой длины).

Рис. 8.1

Рис. 8.1

Третий вариант имеет место, когда измерительное устройство представляет собой набор мерных линеек разной длины без промежуточных делений. Предположим, что длины этих линеек соответственно составляют 100, 50, 25, 12,5, 6,25 и 3,125 см. Процесс измерений реализуется поочередным прикладыванием мерных линеек указанной длины, начиная с наибольшей. Алгоритм подбора длин линеек состоит в следующем. Сначала прикладывается линейка наибольшей длины и производится сравнение Lx и L1. Если измеряемая длина Lx больше длины L1 первой линейки, то к первой линейке прикладывается вторая и вновь производится сравнение Lx с суммой L1 + L2. Если измеряемая длина Lx больше длины L1 + L2, то добавляется третья линейка. В противном случае вторая линейка убирается и к первой линейке прикладывается третья. Процесс подбора заканчивается, когда разность между Lx и суммарной длиной всех приложенных линеек станет меньше половины длины самой короткой из линеек. Подбор линеек сопровождается кодированием (если линейка приложена, то ставится символ логической 1, в противном случае – логического 0). Для указанного набора линеек получим

Lx = 1^.100 + 0^.50 + 0^.25 + 1^.12,5 + 1^. 6,25 + 0^.3,125 = 118,75 см,

погрешность 1,25 см и код 100110. На рис. 8.2а показана временная диаграмма алгоритма последовательных приближений применительно к рассмотренной задаче. Время, затраченное на получение данного результата, составляет 6 шагов, что в шесть раз больше, чем при параллельном, но в 20 раз меньше, чем при последовательном кодировании. Погрешность может быть уменьшена введением дополнительного разряда (линейки с длиной 1,5625 см) без существенного увеличения времени измерения.

Таким образом, параллельно-последовательные АЦП представляют собой разумный компромисс в координатах быстродействие - сложность между АЦП счетного типа (как самыми простыми) и АЦП считывания (как самыми быстродействующими). Параллельно-последовательные АЦП, называемые также АЦП последовательного приближения, нашли широкое использование в схемотехнике как в виде полностью законченных ИМС, так и в виде набора отдельных узлов, выполненных также по интегральной технологии.

АЦП последовательного приближения. Структурная схема АЦП последовательного приближения дана на рис. 8.2б. АЦП содержит компаратор, ЦАП с источником опорного напряжения, выходной регистр данных и устройство управления. В структурном отношении данный АЦП представляет собой систему с ООС. Обратная цепь образована ЦАП, выходное напряжение которого сравнивается с входным напряжением на компараторе.

Логика последовательных приближений реализуется регистром последовательных приближений (РПП), выходной код которого управляет работой ЦАП и через выходной регистр (РД) может быть сосчитан во внешнюю цепь. Устройство управления (УУ) синхронизирует работу отдельных блоков АЦП, а также управляет по запросам извне работой выходного регистра. Широкое распространение однобайтных микропроцессоров вызвало разработку восьмиразрядных АЦП последовательного приближения. Таковыми, в частности, являются АЦП типов К572ПВ3 и К572ПВ4.

Схема включения АЦП К572ПВ3 показана на рис. 8.2в. Время преобразования этого АЦП составляет 7,5 мкс, ток потребления от одного источника питания 5 В равен всего 5 мА. АЦП имеет два одинаковых входа AI1 и AI2, соединенных внутренними резисторами с одним и тем же входом компаратора. На этот же вход компаратора подается выходной ток ЦАП, управляемого РПП. Таким образом, АЦП обеспечивает преобразование в код суммы напряжений, подаваемых на входы AI1 и AI2. При практическом использовании этого АЦП на вход AI1 подают входное напряжение Uвх, а на вход AI2 – напряжение регулировки смещения нуля. Управление работой АЦП осуществляется с помощью сигналов, подаваемых на входы CS (выбор кристалла) и RD (чтение).

Рис. 8.2

Если CS = 0, то переход из 0 в 1 на входе RD обусловит сброс и запуск АЦП. Если CS = 1, то переход из 0 в 1 на входе RD вызовет только сброс, а запуск произойдет по спаду 1 в 0 на входе CS. Когда осуществляется процесс преобразования, на выходе BU = 0. Выходные данные существуют при сочетании сигналов CS = 0, RD = 0 и BU = 1. Если такого сочетания нет, то выход РД находится в высокоимпедансном состоянии.

Восьмивходовый восьмиразрядный АЦП К572ПВ4 (рис. 8.2г) представляет собой многоканальную систему сбора данных. С помощью аналоговых ключей встроенного коммутатора восемь входных аналоговых сигналов поочередно подаются на вход АЦП последовательных приближений. Результаты преобразования записываются во встроенное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) объемом 8 однобайтных слов. Каждому из входных каналов (AI0-AI7) соответствует своя область памяти, так что после одного цикла работы коммутатора в ОЗУ хранится информация по всем восьми каналам.

Вывод AI может использоваться как некоммутируемый вход АЦП при его применении в одноканальном режиме. В этом случае в ОЗУ будут запоминаться коды, соответствующие восьми последовательным значениям входного сигнала. Считывание информации из ОЗУ может осуществляться в произвольном порядке. Номер канала ОЗУ, информация из которого поступает на выход N микросхемы, определяется сигналами, подаваемыми на адресные входы A0, A1, A2, при наличии сигнала логической 1 на входе ALE. В момент перехода сигнала на входе ALE из 1 в 0 фиксируется заданный в этот момент на адресных входах номер подсоединенного к выходу канала ОЗУ и далее этот номер сохраняется в течение всего времени, пока ALE = 0. Диапазон преобразуемого сигнала составляет 2,5 В и может быть смещен как в положительную, так и в отрицательную область значений с помощью двух опорных напряжений (U₀₁, U₀₂). В компараторе АЦП сравниваются напряжения, а не токи, поэтому данный АЦП имеет большое входное сопротивление. Привязка результата преобразования по каждому из каналов к определенному моменту времени производится по сигналу состояний, формируемому на выводе SA.

Интегрирующие АЦП. Наиболее точные АЦП строятся с использованием время- и частотно-импульсного преобразования интегрирующего типа. Хотя интегрирующие АЦП уступают по быстродействию преобразователям последовательного приближения, вместе с тем они имеют и явные преимущества: минимальное число необходимых точных компонентов, высокую помехоустойчивость, отсутствие дифференциальной нелинейности, низкую стоимость. Интегрирующий АЦП, как правило, состоит из двух преобразователей: преобразователя напряжения или тока в частоту или в длительность импульсов и преобразователя частоты или длительности в код. Задача построения точного цифрового измерителя частоты или длительности импульсов решается просто: производят подсчет импульсов измеряемой частоты за известный промежуток времени или подсчет импульсов известной частоты, заполняющих измеряемый промежуток времени. Поэтому основные характеристики интегрирующих АЦП определяются свойствами применяемых преобразователей напряжение-частота (ПНЧ) или преобразователей напряжение-время (ПНВ). Наиболее распространенными типами подобных преобразователей являются: 1) ПНВ двухтактного интегрирования; 2) ПНЧ с заданной длительностью одного такта.

АЦП двухтактного интегрирования. Упрощенная функциональная схема АЦП приведена на рис. 8.3а.

АЦП содержит аналоговый ключ (АК), интегратор на ОУ, компаратор К, генератор тактовых импульсов ГТИ, логический элемент И, счетчик импульсов СИ, источник опорного напряжения (ИОН), устройство управления (УУ). Принцип действия АЦП двухтактного интегрирования заключается в следующем.

В течение первого такта, длительность Т0 которого строго задана, происходит интегрирование входного измеряемого напряжения. В конце первого такта напряжение на выходе интегратора достигает значения

Uи1 = UвхТ₀/,

где  = RC – постоянная времени интегратора.

АК под воздействием сигнала управления переключается на интегрирование опорного напряжения U₀, имеющего противоположную к Uвх полярность. Напряжение на выходе интегратора уменьшается от значения Uи1 до нуля за время Т_х = ^.Uи1/U₀. Отсюда имеем уравнение преобразования

Т_х = UвхТ₀/U₀.

Цифровая часть построена таким образом, что задание интервала Т₀ и измерение интервала Т_х осуществляются от одного и того же ГТИ:

Т₀ = N₀/F₀; Т_х = N_x/F₀.

Окончательно для выходного кода АЦП двухтактного интегрирования имеем

N_x = N₀Uвх/U₀.

Рис. 8.3

Анализ полученного уравнения преобразования показывает, что точность преобразования определяется в первую очередь точностью и стабильностью ИОН и не зависит от параметров интегратора. Важнейшим практически полезным свойством АЦП двухтактного интегрирования является его высокая помехоустойчивость к сетевым помехам. Для этого длительность первого такта Т₀ выбирается равной (или кратной) периоду напряжения сети 50 Гц, т. е. Т₀ = 20 мс.

Примером подобного АЦП служит ИМС КР572ПВ2(ПВ5), в котором введена дополнительная функция автоматической коррекции напряжения смещения нуля ОУ. Цифровая часть АЦП организована так, чтобы к микросхеме можно было бы непосредственно подключать десятичные четырехразрядные семисегментные светодиодные (КР572ПВ2) или жидкокристаллические (КР572ПВ5) индикаторы. Линейность функции преобразования в значительной степени зависит от качества конденсатора интегратора. При использовании конденсаторов с полипропиленовым диэлектриком (конденсаторы типа К73П-7, К73-16) можно реализовать нелинейность на уровне 0,001 %. На рис. 8.3б приведен один из вариантов подключения входных цепей к АЦП КР572ПВ2(ПВ5). Здесь входной сигнал предварительно фильтруется от высокочастотных помех RC-фильтром. Опорное напряжение задается параметрическим стабилизатором на стабилитроне V и резисторе R1. С помощью R2 производится точная установка опорного напряжения на уровне 0,2 В или 2 В. В стандартном включении АЦП КР572ПВ2(5) имеет следующие параметры: время преобразования 70 мс; нелинейность  0,03 %, напряжение питания  5 В, потребляемую мощность 10 мВт.

Справочные данные на отечественные АЦП можно получить, используя справочную литературу по цифро-аналоговым и аналого-цифровым преобразователям (см. Библиографический список).

Справочные данные на некоторые зарубежные АЦП приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Тип АЦП Параметр	ADC 80	AD 7672	AD 9003	TLC 1205В	ADC 71	TSC 850	CSZ 5316	AD 1170	AD 1175K
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Разрядность	12	12	12	13	16	15	16	18	22
Uвх, В	0-5; 0-10;  5;  10	0-5; 0-10;  5;  10	0-5	 5	0-5; 0-10;  5	0-2U0	 2,75	 5	 5
U0, B	внут. 6,3	внеш - 5	внут. 5	внеш. 10	внут. 6,3	внеш1,6; 0,025	внут. 2,75	внут. 5	внут. 5
Диф. вход	-	-	-	+	-	+	-	-	+
Время преобр., мкс	25	3	1	10	50	25000	50	1000	50000
Подстройка	+	-	-	-	+	+	-	-	-
Нелин-ть, квантов	2	2	1	1	0,5	0,2	0,1	0,2	0,5
Дифференц. нелин-ть, квантов	2	1	1	0,5	0,5	0,2	0,1	0,2	0,5

Окончание табл. 8.2

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Uп, В	5;  12	5; - 12	5;  12	 5	 5	 5	 5	5;  15	5;  15
Iп, мА	11; 5; - 21	7; - 12	320;  60	 3	70;  20	 2	-	-	-
Тактовый генератор	внут	внеш. RC	внут.	внеш.	внут.	внеш.	внеш.	кварц	внут.
Выход	посл.	пар.	пар.	пар.	посл.	пар.	посл.	пар.	пар.
Произво-дитель	BB	AD	AD	TI	AD	TS	CR	AD	AD

В табл. 8.1, 8.2 для обозначения фирм-изготовителей микросхем приняты следующие обозначения: AD – Analog Devices; BB – Burr-Brown; CR – Crystal Semiconductor; NS – National Semiconductor; TI – Texas Instruments; TS – Teledyne Semiconductor.

ПНЧ с заданной длительностью такта. Упрощенная функциональная схема этого ПНЧ (КР1108ПП1) показана на рис. 8.3в. ИМС ПНЧ содержит ОУ А, два компаратора К1 и К2, RS-триггер, два источника стабильных токов I₁ и I₂, два аналоговых переключателя S1 и S2, источник опорного напряжения U₀, логическую ячейку И и выходной транзистор V. Для построения ПНЧ микросхему следует дополнить двумя конденсаторами С1 и С2 и двумя резисторами R1, R2. Компараторы К1 и К2, RS-триггер, ключ S2 , конденсатор С2 и источник тока I2 образуют одновибратор (генератор одиночных импульсов).

Под действием положительного входного напряжения напряжение на выходе интегратора А уменьшается. RS-триггер при этом находится в состоянии 0, ключи находятся в состоянии, показанном на рис. 8.3в. Когда напряжение на выходе интегратора уменьшится до нуля, срабатывает компаратор К1 и переводит триггер в 1, запуская тем самым одновибратор. При этом ключ S2 размыкается и под влиянием тока I₂ начинает уменьшаться напряжение на конденсаторе С2. Когда это напряжение достигнет уровня опорного напряжения U₀, сработает компаратор К2 и RS-триггер снова возвращается в состояние "0".

Пока триггер находился в "1", ток I₁ поступал на вход интегратора, вследствие чего напряжение на выходе интегратора снова возросло. Уравнение преобразования ПНЧ имеет вид

F = Uвх^.I₂/(U₀^.I₁^. R1^. C2).

Номинально токи I₁ и I₂ равны, поэтому F = Uвх/(U₀^. R1^. C2). Опорное напряжение (U₀ = -7 В) имеет температурный коэффициент 75^.10^-6 1/^oC, для компенсации этой погрешности целесообразно подобрать элементы R1, C2 так, чтобы температурный коэффициент произведения составлял –75^.10^-6 1/^oC.

Рекомендуемые номиналы внешних элементов: R1 = 10 кОм; C1 = 4 нФ; C2 = 1,4 нФ. В этом случае при Uвх = 0–2 В, F = 0–20 кГц погрешность линейности не превышает 0,01 %. ПНЧ содержит выходной каскад с открытым коллектором, что позволяет согласовывать уровень выходного сигнала с уровнями последующих цифровых цепей.

Ячейка И позволяет закрывать выходной транзистор путем подачи на вывод 6 микросхемы напряжения логической "1" (2,5 В и более). Благодаря этому оказывается возможным подключать выходы нескольких ПНЧ к одной линии путем объединения коллекторов выходных транзисторов.

Микросхему КР1108ПП1 можно использовать в качестве преобразователя частота-напряжение (ПЧН). В этом случае импульсы входной частоты подаются на запуск входящего в микросхему одновибратора, а выходное напряжение получится пропорциональным среднему току, поступающему от источника тока I₁ на вход ОУ.