Принципы работы аналого-цифровых преобразователей
Существуют различные варианты построения АЦП, которые можно разделить на группы по различным признакам. Например, ряд авторов основывают классификацию АЦП по наличию или отсутствию цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) в своем составе. Но более общей представляется классификация АЦП по способу преобразования:
а) параллельное кодирование ( или мгновенное преобразование);
б) последовательное кодирование;
в) модифицированное параллельное кодирование ( или полумгновенное преобразование).
Последний способ преобразования является комбинацией двух предыдущих.
Параллельное кодирование
В этом методе проблема преобразования аналогового сигнала в цифровой решается, что называется “в лоб”. А именно, полная шкала входных сигналов разбивается на 2n одинаковых участка (где n - число двоичных разрядов на выходе АЦП) и берется такое же число компараторов, которые должны регистрировать факт превышения входного измеряемого аналогового напряжения каждого из 2n фиксированных опорных напряжений (уровней квантования). Соответствующая схема показана на рис.4.1 а. С помощью резисторов (их количество также 2n) создается сетка опорных напряжений (с шагом, соответствующим МЗР цифрового кода), которые подаются на один из входов 2n компараторов. Другие входы этих компараторов объединяются и на них подается измеряемый аналоговый сигнал.
Рис.4.1. Схемы параллельного АЦП |
При подаче аналогового сигнала на выходе компараторов установится своеобразный двоичный код, в котором “ниже” определенного разряда, соответствующего уровню входного сигнала, установятся единички, а выше - нули. Такой цифровой код является избыточным и очень не удобным, например, при передаче его в другое цифровое устройство потребуется очень большое число соединительных проводов. По этой причине к выходам компараторов подключается приоритетный шифратор, который представляет результаты квантования в традиционном двоичном весовом коде. Однако применение изображенной на рис.4.1 а схемы затруднительно из-за неидентичности времен задержек компараторов. Это приводит к тому, что, например, при возрастании входного аналогового сигнала единичные уровни на выходах компараторов будут устанавливаться (от нижних по схеме к верхним) не сразу, а по прохождении некоторого времени, когда завершатся все переходные процессы. Поэтому изображенную на рис.4.1 а схему АЦП необходимо дополнить схемой синхронизации, включающей в себя линию задержки на время, необходимое для завершения переходных процессов в компараторах и регистром-защелкой для хранения результатов квантования (рис.4.1 б).
Отечественной промышленностью (по состоянию на 1989 г. ) выпускается четыре АЦП с параллельным кодированием сигнала в микросхемном исполнении. Это - К1107ПВ1 (6р, 100нс, 1Вт), К1107ПВ2 (8р, 100нс, 2.5Вт), К1107ПВ3 (6p, 20нс, 0.5Вт), К1107ПВЗ (8p, 50нс, 2.5Вт). В скобках указаны разрядность, время преобразования, потребляемая мощность - соответственно. Первые две микросхемы предназначены для совместной работы с микросхемами с ТТЛ-логикой, а остальные - с микросхемами с ЭСЛ-логикой.
К недостаткам параллельного кодирования можно отнести экспоненциальный рост числа компараторов, поэтому при большом числе разрядов АЦП такого типа становятся дорогими и очень громоздкими. Например, суммарная потребляемая мощность от всех источников питания упомянутой выше микросхемы К1107ПВ2 составляет 2,5 Вт, что не позволяет разместить ее даже в DIP корпусе с 24-мя выводами. Данную мощность позволяет рассеять только корпус с 40 выводами.