Преобразователи аналоговых величин в цифровые

АЦП — устройство, принимающее входные аналоговые сигналы и выдающее на выходе соответствующие им цифровые сигналы, пригодные для работы с ЭВМ и другими цифровыми устройствами, т. е. АЦП дает представление аналоговой величины в код. Существует большое число АЦП, отличающихся схемной конфигурацией, используемыми элементами, последовательностью выполнения операций, конструктивными и технологическими особенностями.

В основе классификации АЦП лежит принцип развертывания во времени процесса преобразования аналоговой величины в цифровую.

Рассмотрим 2 классических метода преобразования.

1. Метод последовательного счета или последовательный АЦП со ступенчатым пилообразным напряжением.

Схема такого АЦП и временная диаграмма, поясняющая работу преобразователя, показана на рис. 6.4.

По запускающему импульсу счетчик СТ2 переходит в нулевое состояние, а триггер Т дает разрешение на проход счетных импульсов с генератора Г через ключ К1. Счетчик считает импульсы, поступившие ему на вход, а на выходе появляются кодовые комбинации, соответствующие числу сосчитанных импульсов. ПКН — преобразователь кода в напряжение (ЦАП) формирует на выходе напряжение U_ос, пропорциональное коду.

При равенстве U_ос измеряемой величине напряжения U_х, компаратор срабатывает и своим выходным сигналом переводит триггер в нулевое состояние. Этим самым прекращается поступление счетных импульсов на счетчик и осуществляется считывание выходного параллельного кода, представляющего цифровой эквивалент измеряемого напряжения в момент окончания преобразования.

Особенности таких АЦП: небольшие частоты дискретизации (несколько килогерц); малые статические погрешности порядка шага квантования 10—12 разрядных АЦП; простота построения.

Область применения — цифровые вольтметры постоянного тока, цифровые системы, предназначенные для работы с постоянными и медленно изменяющимися напряжениями.

2. Метод поразрядного кодирования или АЦП последовательных приближений (рис. 6.5).

В основе работы преобразователей такого типа лежит принцип последовательного сравнения измеряемой величины с 1/2, 1/4, 1/8 и т. д. от возможного максимального значения ее. Уравновешивание входной величины начинается с эталона, имеющего максимальное значение.

Г

К1

&

S

R

T

R

+1

СТ2

ПКН

Выходной код

Q1 Q2 Qn

Ux

Uoc

Компаратор

Останов

Uвx

а

б

Рис. 6.4. Схема АЦП последовательного счета (а)

и временная диаграмма его работы (б)

Компаратор выполняет сравнение этого эталонного напряжения с измеряемым U_х. В зависимости от результата сравнения определяется цифра («1» или «0») в старшем п разряде: если U_х>U_эт, то в старшем разряде ставится «0», если U_х<U_эт, то в старшем разряде – «1».

Далее производится уравновешивание входной величины со следующим эталоном, меньше предыдущего в 2 раза, причем, если напряжение U_эт осталось от первого уравновешивания, то U_х сравнивается на втором этапе с суммой эталонных напряжений: и результат сравнения отражается на цифре п - 1 разряда. Аналогичные действия производятся для всех используемых эталонов. Схема реализации этого метода и временная диаграмма его показаны на рис. 6.5.

Этот метод поразрядного кодирования позволяет за число разрядов кодовой комбинации (последовательных шагов приближения) выполнить весь процесс преобразования вместо 2n - 1 шагов приближения при использовании единичных итераций. Это позволяет получить существенный выигрыш в быстродействии (при n = 10 выигрыш в быстродействии достигает двух порядков). Статическая погрешность таких АЦП невелика, что позволяет реализовать АЦП на 16 двоичных разрядов.

Рис. 6.5. Схема АЦП поразрядного кодирования (а)

и временная диаграмма его работы (б)

Область применения: для построения цифровых измерительных приборов и при работе совместно с устройством выборки и запоминания в различных областях цифровой обработки быстро изменяющихся сигналов и процессов.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие виды преобразователей существуют и для чего?

2. Какими параметрами характеризуются преобразователи информации?

3. По каким схемам строятся ЦАП?

4. Какие параметры ЦАП определяют дискретность изменения U_вых?

5. Как классифицируют АЦП?

6. Какие узлы входят в схему АЦП?

7. Какие узлы входят в состав схемы АЦП поразрядного кодирования?

8. Из каких узлов состоит схема параллельного АЦП?

9. Дайте сравнительную характеристику параметров рассматриваемых АЦП?