4.4. Принципы построения и работы ацп

В арсенале современных технических средств имеется большое количество различных типов АЦП, отличающихся принципом действия, внутренней структурой, элементной базой, метрологическими и эксплуатационными характеристиками. При изготовлении АЦП в виде больших интегральных схем (БИС) используются такие методы и структуры, которые обеспечиваются достигнутыми на сегодняшний день интегральными технологиями. К числу таких методов можно отнести следующие: метод последовательного приближения (поразрядного кодирования или весовой), параллельного преобразования и двухтактного интегрирования. Первый метод обеспечивает удовлетворительное сочетание точности и быстродействия, второй – возможность высокого быстродействия, а третий – точность. Рассмотрим принципы организации и работы каждого из упомянутых методов на основе упрощенных структурных схем.

Метод последовательного приближения

Структурная схема реализации АЦП такого метода приведена на рис. 4.10.

Рис. 4.10

Работа такого АЦП происходит следующим образом. Перед началом преобразования генератор тактовых импульсов (ГТИ) подает команду в регистр последовательного приближения (РПП) на установку "1" в старшем разряде, а в остальных "0". Под действием кода регистра последовательного приближения ЦАП формирует эталонный сигнал

U_Эn = 2ⁿ·U_ЕМР, (4.8)

где U_ЕМР – напряжение, соответствующее единице младшего разряда ЦАП, n – разрядность.

Величина напряжения (4.8) определяет половину возможного диапазона преобразуемых сигналов. Процесс уравновешивания входного напряжения U_ВХ и некоторого эталонного U_Эi происходит последовательно путем сравнения их значений в компараторе "К", начиная со старшего разряда. Если U_Эn > U_ВХ, то в старшем разряде выходного сигнала и в ЦАП устанавливается "0" и далее производится сравнение U_ВХ с эталонным напряжением U_{Э(n –1)}, соответствующим разряду (n –1).

Если U_Эn  U_ВХ, то в старшем разряде выходного кода устанавливается "1" и в дальнейшем производится сравнение разности (U_ВХ – U_Эn) с величиной U_Э(n–1). Далее процесс преобразования продолжается аналогично рассмотренному выше. В результате преобразования напряжение U_ВХ уравновешивается суммой эталонных напряжений, снимаемых с ЦАП:

, (4.9)

где a_i – коэффициенты 1 или 0 в разрядах выходного кода, снимаемого с регистра;

U_Эi – напряжение ЦАП, соответствующее i-му разряду.

Работа АЦП синхронизируется генератором тактовых импульсов. Время преобразования сигнала постоянно и определяется в основном числом разрядов и тактовой частотой f_т. Погрешность преобразования зависит в основном от ошибок ЦАП и чувствительности компаратора "К".

Метод и АЦП параллельного преобразования

Метод параллельного преобразования (параллельного считывания) основан на одновременном сравнении входного сигнала с (2ⁿ – 1) значениями эталонного напряжения, соответствующими n – разрядному двоичному коду. В преобразователе, обобщенная схема которого дана на рис.4.11, (2ⁿ – 1) уровней эталонного напряжения U_э формируются с помощью резистивного делителя, на который подается опорное напряжение U_оп. Число резисторов делителя опорного напряжения равно 2ⁿ. Номиналы резисторов делителя одинаковы, кроме первого и последнего, которые могут быть отличными от остальных в конкретных образцах АЦП. Разные значения эталонного напряжения подаются на инвертирующие входы соответствующих компараторов.

Рис. 4.11

На все неинвертирующие входы компараторов поступает входное напряжение U_вх. В каждом компараторе, число которых составляет

(2ⁿ –1), происходит сравнение двух напряжений. Компараторы, на входах которых выполняется неравенство U_вх > U_Эi, изменяют свое состояние. Это изменение фиксируется RS триггерами и далее передается в шифратор CD. С выхода шифратора сформированный код подается на выходные каскады преобразователей уровней для перевода в стандартные уровни ТТЛ, ЭСТЛ или КМОП-логики.

АЦП параллельного действия являются наиболее быстродействующими, так как преобразование входного сигнала производится за один цикл. Недостатком таких АЦП является потребность в большом количестве компараторов, число которых возрастает с увеличением их разрядности.

При необходимости обеспечить повышенную разрядность (при сохранении высокого быстродействия и без существенного усложнения схемы) применяют параллельно-последовательные (комбинированные) АЦП. В таких преобразователях несколько малоразрядных АЦП параллельного действия соединяются последовательно между собой (рис. 4.12).

Рис. 4.12

Входной сигнал поступает на первый АЦП 1, на входе которого формируются старшие разряды выходного кода. Эти разряды также поступают на вход ЦАП. Выходной сигнал ЦАП сравнивается в усилителе разности УР с входным сигналом. Разность этих сигналов подается на вход второго АЦП 2, который преобразует ее в выходной код младших разрядов.

Метод и АЦП с двухтактным интегрированием

Упрощенная схема АЦП вышеназванного метода представлена на рис. 4.13.

Рис. 4.13

Преобразование осуществляется в два этапа. Сначала с помощью ключа S₁, управляемого логической схемой, ко входу интегратора подключается входное напряжение U_вх. До подачи измеряемого входного напряжения на выходе интегратора был ноль (U_и = 0). Время интегрирования t₁ постоянно (рис. 4.14) и при U_вх > 0 напряжение на выходе интегратора линейно уменьшается от нуля до некоторой величины Uи(t₁), определяемой равенством:

, (4.10)

где τ = RC с.

Рис. 4.14

Чем больше U_вх (U_вх1 > U_вх2, рис. 4.14 ), тем круче линия и больше величина напряжения к моменту t₁. Одновременно с интегрированием счетчик начинает подсчет тактовых импульсов T_и фиксированной частоты f_т =1/Т_и. За время t₁ cчетчиком будет подсчитано t₁/Т_и = N₁ импульсов при любом входном напряжении. После окончания (t = t₁) измерения входного напряжения для определения его числового значения логическая схема переключает ключ S₁ на источник постоянного опорного напряжения противоположного по знаку входному. Одновременно с процессом интегрирования опорного напряжения с учетом начального значения – U_и(t_и) фиксируется время t_x, за которое напряжение на выходе интегратора достигнет нуля (на рис.4.14 t_x = t₂ )

. (4.11)

За время t_x = t₂ на счетчик с генератора поступает t₂/ Т_и = N₂ импульсов.

Интервалы времени t₂ (t’₂) пропорциональны уровням входного напряжения. Таким образом величина входного напряжения переводится в интервал времени. И после двойного интегрирования получаем:

. (4.12)

Подставляя в (4.12) t₁ = T_и· N₁ и t₂ = T_и· N₂ после упрощения, получим:

, (4.13)

где N₂ – число импульсов, определяющее выходной код измеренного напряжения. Из формулы (4.13) следует, что результат преобразования не зависит от частоты ГТИ и параметров интегратора, так как на обоих этапах интегрирования используется одно и то же устройство.

Относительным недостатком этого метода преобразования является сравнительно невысокое быстродействие, обусловленное процессами интегрирования входного и опорного напряжений.