Методы аналого-цифрового преобразования
В этом разделе мы обсудим некоторые основные схемотехнические приемы, используемые при построении внутренних функциональных структур АЦП. Будут рассмотрены важнейшие характеристики этих конструкций.
Большинство схемных реализаций АЦП основано или на использовании внутреннего ЦАП, или на применении некоторого способа интегрирования для осуществления функции преобразования. Существуют АЦП, не относящиеся ни к одному из этих двух широких классов преобразователей; в них реализован способ параллельного или мгновенного преобразования, используемый главным образом для построения сверхбыстродействующих АЦП.
Ацп с динамической компенсацией и следящий ацп
На рис. 5.5(а) показана структурная схема АЦП с динамической компенсацией. В этом АЦП используется счетчик импульсов, который в процессе счета обеспечивает постепенное нарастание выходного сигнала связанного с ним ЦАП, пока этот сигнал не превысит уровень входного сигнала. Счетчик сбрасывается перед началом каждого преобразования и затем увеличивает свое содержимое на 1 при прохождении каждого тактового импульса. Выходной сигнал ЦАП при каждом единичном изменении состояния счетчика возрастает на величину МЗР, как показано на рис. 5.5(6). Компаратор останавливает счетчик, когда выходное напряжение ЦАП достигает уровня входного сигнала. Выходной сигнал (состояние) счетчика в этот момент как раз и является цифровым выходным сигналом АЦП. Главный недостаток этого простого способа аналого-цифрового преобразования – зависимость времени преобразования от уровня входного сигнала, причем это время может быть к тому же довольно велико (2 периодов тактовых импульсов для n-разрядного преобразователя в случае входного сигнала, близкого по уровню к величине полного диапазона).
В модифицированном варианте АЦП с динамической компенсацией – так называемом «следящем» АЦП (или «серво-АЦП») – используется реверсивный счетчик, позволяющий ЦАП непрерывно отслеживать входной сигнал при условии, что изменения входного сигнала невелики. На рис. 5.5(в) иллюстрируется характер изменения выходного сигнала ЦАП в АЦП следящего типа. Останавливая счетчик подачей внешнего воздействия в нужный момент времени, мы можем использовать следящий АЦП в качестве УВХ с цифровым выходом и сколь угодно большим временем хранения. Допуская возможность счета или только в прямом, или только в обратном направлении, можно с помощью этого АЦП получать цифровой выходной сигнал, соответствующий максимальному или минимальному значению входного сигнала в данном временном интервале.
Ацп последовательного приближения
Метод последовательного приближения – наиболее распространенный способ реализации функции аналого-цифрового преобразования в преобразователях со средним и высоким быстродействием. В структуру АЦП последовательного приближения также входит ЦАП. Однако в отличие от АЦП с динамической компенсацией в АЦП последовательного приближения выходной сигнал ЦАП нарастает до уровня входного сигнала точно за n тактов (для n-разрядного преобразователя). В результате процесс преобразования занимает гораздо меньше времени, и, кроме того, время преобразования не зависит от уровня входного сигнала. Данный метод основан на аппроксимации входного сигнала двоичным кодом и последующей проверке правильности этой аппроксимации для каждого разряда кода, пока не достигается наилучшее приближение к величине входного сигнала. На каждом этапе этого процесса двоичное представление текущего приближения хранится в так называемом регистре последовательного приближения (РПП).
На рис. 5.6 показана базовая функциональная схема 3-разрядного АЦП последовательного приближения с иллюстрацией принципа ее работы. Преобразование всегда начинается с установки единичного значения СЗР в РПП.
Это соответствует первоначальной оценке величины входного сигнала половиной величины полного диапазона (полной шкалы). Компаратор сравнивает выходной сигнал ЦАП с входным напряжением и выдает контроллеру команду на сброс СЗР, если эта первоначальная оценка превышает величину входного сигнала; в противном случае остается установленное значение СЗР. В следующем такте котроллер устанавливает в единичное значение следующий (по старшинству) разряд, и снова, исходя из уровня входного сигнала, компаратор «решает», сбрасывать или оставлять установку этого разряда. Преобразование продолжается аналогичным образом, пока не будет проверен последний МЗР. В этот момент содержимое РПП и выходного регистра является наилучшим двоичным приближением входного сигнала – это и есть выходной цифровой сигнал (слово) АЦП. Поскольку в процессе последовательного приближения установка значений разрядов выполняется в последовательном порядке, то в АЦП этого типа исключительно просто обеспечивается последовательный вывод данных. Обратим внимание, что предполагалось постоянство уровня входного сигнала в процессе преобразования. Вообще говоря, мы не можем гарантировать выполнение этого условия, и необходимо учитывать влияние изменения входного напряжения на выходной сигнал преобразователя; эта проблема обсуждалась в разд. 5.1.