Аналого-цифровые преобразователи un  n

Входные аналоговые сигналы АЦП преобразуют в цифровую форму, пригодную для обработки микропроцессорами и другими цифровыми устройствами. Процедура аналого-цифрового преобразования непрерывных сигналов представляет собой преобразование непрерывной функции времени U(t), описывающей исходный сигнал, в последовательность чисел {U'(t_j)}, j=0,1,2,…, отнесенных к некоторым фиксированным моментам времени. Эту процедуру можно разделить на две операции. Первая из них называется дискретизацией и состоит в преобразовании непрерывной функции времени U(t) в непрерывную последовательность {U(t_j)}. Вторая называется квантованием и состоит в преобразовании непрерывной последовательности в дискретную {U'(t_j)}.

Наиболее распространенной формой дискретизации является равномерная, в основе которой лежит теорема отсчетов, согласно которой период дискретизации следует выбирать из условия t=1/2F_m, где F_m - максимальная частота спектра преобразуемого сигнала.

Способы аналого-цифрового преобразования U_N  N

1. Методы последовательного счета

М етоды последовательного счета осуществляют последовательное сравнение измеряемой величины с известной квантованной мерой. Например – неизвестная X=const сравнивается с величиной меры, изменяющейся ступенчатым образом.

В качестве меры можно использовать ЦАП. По сигналу «Пуск» счетчик сбрасывается в «0» и начинается счет импульсов f_сч. При этом линейно – ступенчато возрастает выходное напряжение ЦАП. При достижении U_ЦАП U_ВХ прекращается подсчет импульсов и код счетчика перемещается в регистр памяти.

Нелинейность ЦАП может составлять единицы процентов, что ограничивает применение метода.

Время преобразования АЦП этого типа является переменным и определяется входным напряжением. Его максимальное значение соответствует максимальному входному напряжению. При разрядности двоичного счетчика N и частоте тактовых импульсов f_такт равно

t_{пр.макс}=(2^N-1)/ f_такт.

Например, при N=10 и f_такт=1 МГц t_{пр.макс}=1024 мкс, что обеспечивает максимальную частоту выборок порядка 1 кГц. Статическая погрешность преобразования определяется суммарной статической погрешностью используемых ЦАП и компаратора.

Особенностью АЦП последовательного счета является небольшая частота дискретизации. Достоинством является сравнительная простота построения, определяемая последовательным характером выполнения процесса преобразования. Известны и другие схемы АЦП последовательного счета: времяимпульсный, двойного интегрирования (АЦП на ИС К572ПВ2 имеет погрешность ~ 0,05%).

2. Метод последовательного приближения

Преобразователь этого типа, называемый в литературе также АЦП с поразрядным уравновешиванием, является наиболее распространенным вариантом последовательных АЦП. В методе последовательного приближения происходит последовательное во времени сравнение измеряемой величины Х с квантованной Х_к, изменяющейся по определенному закону. Мера может регулироваться скачками от возможного максимального значения: 1, ¹/₂, ¹/₄, ¹/₈ и т.д., суммируясь с предыдущей величиной. Это позволяет для N-разрядного АЦП последовательного приближения выполнить весь процесс преобразования за N последовательных шагов (итераций) вместо 2^N-1 при использовании последовательного счета и получить существенный выигрыш в быстродействии. Так, при N=10 этот выигрыш достигает 100 раз, что позволяет получить с помощью таких АЦП 10⁵...10⁷ преобразований в секунду. В то же время статическая погрешность этого типа преобразователей, определяемая используемым ЦАП, может быть очень малой, что позволяет реализовать разрешающую способность до 18 двоичных разрядов при частоте выборок 200 кГц (например, DSP101 фирмы Burr-Brown) и более.

Примером является вольтметр поразрядного кодирования (уравновешивания), который рассмотрим в лекции «Цифровые вольтметры». Здесь достигается большее быстродействие и высокая точность (~ 0,001%), но низкая помехозащищенность. В режиме поразрядного кодирования работает АЦП на ИС: К1108ПВ1 и К1113ПВ1.

Быстродействие АЦП определяется суммой времени установления t_уст ЦАП, времени переключения компаратора t_к и задержки распространения сигнала в регистре последовательного приближения t_з. Данный класс АЦП занимает промежуточное положение по быстродействию, стоимости и разрешающей способности между последовательно-параллельными и интегрирующими АЦП.