7 Аналого-цифровые преобразователи

По принципу функционирования аналого-цифровые преобразова­тели подразделяют на параллельные и последовательные.

Параллельные аналого-цифровые преобразователи опреде­ляют все коэффициенты a_i одновременно. В последовательных преобразователях все коэффициенты определяются один за дру­гим. Такой процесс происходит медленнее, чем в параллельном преобразователе, однако затраты на схемную часть при этом зна­чительно сокращаются. Кроме того, существуют различные спо­собы, в которых используются комбинации обеих разновидностей или же работа ведется с промежуточными величинами.

Способ кодирования цифрового выходного сигнала в аналого-цифровом преобразователе в общем случае может выбираться произвольно. Наиболее употребителен двоичный код, к которому относятся и применяемые ниже обозначения. Аналого-цифровые преобразователи многих типов используют в схеме с обратной связью для получения напряжения, компенсирующего входное преобразуемое напряжение.

Параллельные аналого-цифровые преобразователи. Здесь вход­ной сигнал непосредственно сопоставляется с 2ⁿ — 1 сравнитель­ными напряжениями (рис. 9). Коэффициенты а_i опреде­ляются по логическим выходным сигналам в специальном блоке перекодирования. Ввиду высоких затрат на схемную часть этот способ подходит только для преобразователей с малым числом разрядов (п= 48 бит). Однако одновременное определение всех коэффициентов обеспечивает очень короткое время преобра­зования (<100 нc).

П оследовательные аналого-цифровые преобразователи. В инкрементном преобразователе (рис. 10) применяется только один компаратор, а сравнительное напряжение ступенчато по­вышается. Число превращений подсчитывается до тех пор, пока выход компаратора логически не становится равным единице, т. е. пока входной аналоговый сигнал U_e не будет равен сравни-тельному напряжению. При равенстве обоих напряжений на счетчике будет получен непосредственно выходной сигнал в двоич­ном коде..

Рис. 9. Параллельный аналого-цифровой преобразователь: / — компараторы; 2 — блок перекоди­рования; U_rt[ — сравнительное напря­жение

Рис. 10. Инкрементный аналого- цифровой преобразователь (работа­ющий по приращениям): / — компаратор; 2 — генератор коле­баний; S — двоичный счетчик; 4 — сброс счетчика; 5 — данные готовы; 6 — цифро-аналоговый преобразова­тель

Ряс. 11. Аналого-цифровой преобра­зователь, работающий по принципу пораз­рядного уравновешивания (последователь­ного приближения):

/ — компенсатор; 2 — логические блоки управления; 3— бинарная память; 4 — цифро-аналоговый преобразователь

По выходному сигналу компаратора одновременно путем отрицания (инверсии) может быть получен сигнал «данные готовы к опросу» (data ready). Перед следующим преобразованием счетчик должен быть сброшен на нульВ противоположность параллельному аналого-цифровому пре­образованию этот способ очень медленный; время преобразования существенно зависит от числа разрядов и от абсолютной величины сигнала. Применением реверсивного счетчика, непосредственно следящего за входным напряжением, время преобразования можно сильно сократить, главным образом в области малых" изменений сигнала, так как исключается процедура сбрасывания на нуль и последующего повторного счета на повышение.

При способе последовательного приближения (поразрядного уравновешивания) к напряжению U_v (рис. 11) на каждом этапе добавляется некоторая часть сравнительного напряжения U_ref /2^k (где k = 1,2, 3, .... п). Если после этого эквивалентное напряжение U_v станет больше входного U_в то соответствующий коэффициент a_k принимается равным нулю и при этом напряже­ние U_{re f} /2^k снова вычитается. Для следующего этапа значение k увеличивается на 1 и повторяется тот же процесс — до тех пор, пока не будет определено значение а_п. После этого коэффициенты цифрового выходного сигнала D_a могут быть взяты непосред­ственно из двоичного регистра памяти.

Рис. 12. Аналого-цифровой преобра­зователь, работающий с пилообразными импульсами:

/.— генератор пилообразных импульсов; 2 — компаратор; 3 — генератор колеба­ний; 4 — сброс счетчика; 5 — двоичный счетчик; 6 — счетные импульсы

Рис. 13. Аналого-цифровой преобра­зователь с интегрированием входного на­пряжения (преобразованием напряжение - частота):1 — компаратор; 2 — управление; 3 — ге­нератор колебаний; 4 — двоичный счетчик

Быстродействие такого способа существенно зависит от типа применяемого цифро-аналогового преобразователя, вследствие чего здесь часто применяют преобразователь параллельного типа. При этом могут быть изготовлены 10-разрядные аналого-цифровые преобразователи, совершающие до 100 тыс. преобразований в се­кунду.

Преобразователи с пилообразным импульсом, с двухтактным интегрированием и с преобразованием напряжения в частоту работают с использованием промежуточных величин. При этих способах напряжение интегрируется до тех пор, пока не будет достигнуто некоторое значение. Время, необходимое для этого, измеряется путем подсчета импульсов.

Аналого-цифровые преобразователи с пилообразным импульсом. Аналого-цифровой преобразователь с пилообразным импульсом (рис. 12) работает с генератором линейно возрастающего напряжения. До тех пор пока выходной сигнал этого генератора меньше входного напряжения U_e, в счетчике подсчитывается число импульсов генератора эталонной частоты. Время T₁ опре­деляемое числом этих импульсов, пропорционально величине входного сигнала U_в,. Предполагается, что и частота генератора, и парамет- ры сигнала генератора пилообразного напряжения очень стабильны.

Преобразователь с интегрированием входного напряжения (рис. 13) работает по тому же принципу, но только здесь вместо постоянного сравнительного напряжения для формирова­ния линейно нарастающего напряжения интегрируется входное напряжение U_e и напряжение U_x затем сравнивается со сравни­тельным U_{re f}

Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным интегрированием. У аналого-цифрового преобразователя с двухтактным интегрированием (рис. 14) в течение времени T₁ входное напряжение U_b интегрируется в интеграторе. Затем начинается

н епрерывная разрядка конденсатора С постоянным напряжением U_ref . Число импульсов, отсчитанных во время разрядки, пропорционально времени T ₂ и тем самым входному напряжению U_в.

Рис. 14.Аналого-цифровой преобразователь с двухтактным интегриро­ванием (треугольными импульсами):1— генератор колебаний; 2 — компаратор: 3 — двоичный счетчик; 4 — управление

Такой способ имеет преимущество перед принципом пилообразного импульса в том, что изменения свойств элементов интегратора (омического сопротивления R и емкости С) не влияют на точность, если они остаются постоянными в течение одного периода преобразования.

Рис. 15. Интегрирование невозмущенного входного напряжения U₁ и входного напряжения с наложением периодического возмущения U₂ (а) и ослабление  частотных составляющих помех (б) в АЦП с двухтактным интегрированием

Если переключатель управляется непосредственно частотой осциллятора, то ее постоянство тоже не оказывает влияния на точность результата. Кроме того, соответствующий выбор про­должительности интегрирования обеспечивает подавление периодической составляющей сигнала помех.

Так, если продолжительность интегрирования T₁ является целым кратным продолжительности периода Т какого-либо сигнала помех, то этот сигнал полностью подавляется; в противном случае он только ослабляется в зависимости от отношения Т₁/Т и от сдвига фаз  . Однако в любом случае значения располагаются ниже огибающей v = Т {Т₁).

Впрочем, это свойство может быть использовано только в том случае, когда можно обойтись без фиксирующего звена, т. е. при условии, что полезный сигнал в течение времени интегрирования остается сравнительно постоянным.

Существенное повышение скорости преобразования по методу двухтактного интегрирования может быть достигнуто за счет осуществления разрядки конденсатора в две ступени. На первой ступени происходит быстрая разрядка до величины напряжения, близкой к нулю, а на втором этапе конденсатор медленно разряжается до нуля. При помощи соответствующего управления счетчиком это позволяет достичь повышения скорости в 10 раз по сравнению с получаемой при двухтактном интегрировании без снижения точности.

Помимо погрешности квантования (погрешность <0,5 младшего разряда), которая в настоящее время гарантируется прак­тически для всех преобразователей, возможны погрешности, встречающиеся во всех электронных схемах (нелинейность, сме­щение нуля, температурная зависимость и т. д. [.