1.7. Аналого-цифровое преобразование

Аналого-цифровым преобразователем (АЦП) называется устройство, которое преобразует аналоговый входной сигнал в цифровой код, соответствующий этому сигналу. Процесс аналого-цифрового преобразования обычно более сложный и зани­мает больше времени, чем цифроаналоговое преобразование; кроме того, существует достаточно много различных методов выполнения этой операции.

В некоторых широко применяемых типах АЦП используются ЦАП, которые яв­ляются составной частью такого устройства. На рис.7 показана функциональная схема этого класса преобразователей. Согласование во времени обеспечивается внеш­ним сигналом синхронизации. Устройство управления содержит схемные элементы, с помощью которых происходит формирование заданной последовательности опера­ций в ответ на импульс запуска (START COMMAND), поступление которого начинает процесс преобразования. Компаратор на операционном усилителе имеет два аналого­вых входа и один цифровой выход, состояние которого зависит от того, какой из по­данных аналоговых сигналов больше.

Процесс работы такого аналого-цифрового преобразователя можно описать в не­сколько этапов:

1. Импульс запуска (START COMMAND) начинает работу схемы.

2. Устройство управления со скоростью, определяемой частотой сигнала синхрониза­ции, последовательно изменяет двоичные числа, которые поступают на регистр.

3. Двоичное число из регистра преобразуется с помощью ЦАП в аналоговое напряжение V_АХ

4. Компаратор сравнивает величину напряжения V_АХ с аналоговым напряжением V_А

Пока V_АХ < V_А c выхода компаратора снимается сигнал с высоким уровнем напряжения. Если же V_АХ превысит V_А на напряжение, равное пороговому V_Т то на выходе компаратора установится сигнал с низким уровнем, который оста­новит процесс записи чисел в регистр.

В этой точке напряжение V_АХ будет приблизительно равно напряжению V_А. Число, записанное в регистр непосредственно перед этой операцией сравнения, будет представлять собой цифровой эквивалент V_АХ, с погрешностью, которая определяется разрядностью и точностью системы.

5. Устройство управления формирует сигнал окончания преобразования (ЕОС), ко­торый показывает, что преобразование выполнено.

1.8. Интегрирующие аналого-цифровые преобразователи

Структура одного из наиболее простых классов АЦП показана на рис.7 В таких преобразователях в качестве регистра используется двоичный счетчик, состояния которого последовательно изменяются под воздействием сигнала синхронизации до тех пор, пока напряжение V_АХ не станет больше или равно V_АХ. Такие аналого-цифровые преобразователи называются интегрирующими, поскольку форма сигнала V_АХ представляет собой пилообразную функцию (фактически это та же ступенчатая функция, которая имеет очень малый шаг квантования). Такие АЦП иногда еще называют накапливающими.

На рис.8 показана функциональная схема интегрирующего АЦП. Преобразователь содержит счетчик, ЦАП, аналоговый компаратор и управляющий элемент И.

Сигнал с выхода компаратора служит сигналом окончания преобразования (), активным для него будет низкий уровень напряжения. Если предположить, что аналоговое напряжение V_А которое нужно преобразовать в цифровой сигнал, будет положительным, то получится следующая процедура преобразования:

1. Импульс запуска (START), который подается на счетчик, сбрасывает счетчик в 0. Высокий уровень напряжения этого импульса запрещает также сигналу синхро­низации проходить через элемент И на счетчик.

2. Поскольку на всех входах ЦАП наблюдаются нулевые состояния, на его выходе также получим V_АХ = 0

3. Так как с V_А > V_АХ игнал с выхода компаратора будет иметьвысокий уровень.

4. Как только сигнал START возвращается в состояние с низким уровнем напряже­ния, элемент И начинает пропускать импульсы синхронизации на счетчик.

5. Счетчик начинает последовательно менять свои состояния, и при этом сигнал V_АХ на выходе ЦАП постепенно увеличивается, как показано на рис. 8.

6. Процесс продолжается до тех пор, пока напряжение V_АХ не достигает значеню, которое превышает V_А на величину, равную или большую, чем

пороговое напряжение V_Т (обычно от 10 до 100 мкВ). В этой точке сигналпереходит в со­стояние снизким уровнем напряжения и запрещает прохождение импульсов синхронизации на счетчик, в результате чего тот перестает считать.

7. Итак, процесс преобразования завершен, о чем говорит спад импульса , а содержимое счетчика представляет собой цифровой эквивалент аналогового на­пряженияV_А.

8. Счетчик будет содержать цифровое значение напряжения до тех пор, пока вновь импульс запуска (START) не запустит новый цикл преобразования еще раз.