§ 9. Аналого-цифровые преобразователи.

В процессе аналого-цифрового преобразования устанавливается соответствие между входным аналоговым сигналом U_вх (обычно напряжением) и выходным кодом. Входной сигнал может принимать неограниченное число значений в пределах диапазона измерений от U_min до U_max. Число различных значений цифрового кода определяется разрядностью преобразователя и ограничено величиной 2ⁿ, где n ‑ число разрядов. Аналого-цифровое преобразование соответствует квантованию сигнала по уровню с равномерным шагом U_шк2^-n, где U_шк – уровень шкалы, т.е. максимальный для конкретного АЦП уровень входного сигнала.

Для любого значения сигнала U_вх, находящегося в пределах между двумя соседними уровнями квантования, результатом преобразования будет один и тот же двоичный код. Следовательно, при аналого-цифровом преобразовании имеет место погрешность квантования, или погрешность дискретности, максимальное значение которой равно шагу квантования.

Основными методами аналого-цифрового преобразования являются следующие:

• последовательность счета (развертывающие АЦП);

• поразрядного уравновешивания;

• следящего уравновешивания;

• параллельного преобразования;

• двойного интегрирования.

Характерной особенностью преобразователей первых трех типов является использование АЦП. Упрощенная функциональная схема и временные диаграммы АЦП последовательного счета приведены на рис. 24.

Рис. 24. АЦП последовательного счета

С момента поступления сигнала «старт» счетчик СЧ подсчитывает тактовые импульсы до тех пор, пока аналоговый эквивалент двоичного кода – сигнал U_вых не превысит величину U_вх. В этот момент, выявляемый компаратором, поступление тактовых импульсов на счетчик прерывается и параллельный код счетчика может быть считан как результат преобразования. После сброса счетчика в нуль и появление нового стартового сигнала процесс возобновляется.

Время преобразования АЦП такого типа является переменными и зависит от уровня входного сигнала. Для максимального входного сигнала, равного уровню шкалы преобразователя, время преобразования можно определить из соотношения t_пр=2ⁿτ_Т, где n – разрядность счетчика (и ЦАП), τ_Т – период тактовых импульсов. Так, для 8-разрядного преобразователя процесс завершится после поступления 255 – го тактового импульса.

В преобразователе поразрядного уравновешивания (рис. 25) вместо счетчика используется сдвиговый регистр РГ, режим работы которого определяется специальной управляющей логической схемой УЛ.

Рис. 25 АЦП поразрядного уравновешивания

В процессе преобразования в регистр, начиная со старшего разряда, заносятся единицы, после чего схема УЛ на основании информации с компаратора либо сохраняет эту единицу в данном разряде (при U_к=1), либо стирает ее. После этого процесс повторяется, но уже со следующим разрядом регистра. Время преобразования в таком АЦП всегда одинаково и определяется разрядностью преобразования, а именно t_пр=nτ_Т. Для 8-разрядного АЦП процесс завершится за 8 тактов.

Рис. 26 АЦП следящего типа

Преобразователь следящего уравновешивания (рис. 26) имеет структуру, похожую на АЦП последовательного счета, с той разницей, что счетчик является реверсивным. Логика работы такова, что при U_вх≥U_вых на выходе компаратора формируется высокий уровень, и счетчик суммирует текстовые импульсы. При U_вх≤U_выхU_к=0, и счетчик работает на вычитание. Таким образом, при постоянном входном сигнале схема, завершив преобразование, будет «шагать» относительно U_вх на величину одного кванта преобразования (младшего разряда кода).

Время преобразования такой схемы при ступенчатом изменении U_вх на максимальную величину будет таким же, как у АЦП последовательного счета. Однако здесь отсутствует явно выраженный цикл преобразования и происходит постоянное отслеживание входного сигнала. Если же скорость изменения входного сигнала не превышает предельной скорости нарастания выходного аналогового сигнала, то можно считать, что динамическая погрешность преобразования у АЦП следящего уравновешивания в таком случае отсутствует.

АЦП параллельного преобразования имеет самую простую логическую организацию, однако сложность схемы резко возрастает при увеличении разрядности. На рис. 27 приведена схема трехразрядного АЦП.

Рис. 27 Параллельный АЦП

Основу схемы составляют компараторы напряжения, один из входов которых объединен и является входом АЦП. Другие входы АЦП подключены к отводам резистивного делителя, задающего равномерную сетку квантования по уровню. Приоритетный шифратор Ш преобразует позиционный код в параллельный двоичный.

Время преобразования такого АЦП определяется лишь задержкой распространения сигналов схемами компаратора и шифратора и обычно не превышает сотен наносекунд. Разрядность АЦП параллельного типа обычно не превышает восьми. Такие АЦП отличаются повышенным энергопотреблением (8-разрядный АЦП содержит 255 схем компараторов и сложную схему шифратора). Метод двойного интегрирования используется в высокоточных помехоустойчивых схемах преобразования. В его основе лежит промежуточное преобразование входного сигнала во временной интервал, реализуемое путем интегрирования как преобразуемого, так и эталонного напряжений. Преобразование временного интервала в двоичный код осуществляется подсчетом количества импульсов высокой эталонной частоты. Такие АЦП отличаются значительным временем преобразования, что ограничивает их применение в быстродействующих системах привода.

Основными характеристиками АЦП являются разрешающая способность, определяемая разрядностью, и быстродействие, определяемая разрядностью и быстродействие определяемое временем от момента заданного изменения сигнала на входе до появления на выходе установившегося кода. Кроме того, иногда нормируются параметры, характеризующие линейность зависимости N=f(U_вх), т.е. степень отклонения реальной характеристики от прямой линии абсолютно точного преобразования.

Таблица 5

Тип АЦП	n	tпр, мкс	Примечание
К 572ПВ1(А, Б, В)	12	170	Поразрядного уравновешивания
К 1113ПВ1(А, Б, В)	10	30	То же
К 1108ПВ1	10	1	То же
К 1107ПВ1	6	0,1	Параллельный
К 1107ПВ2	8	0,2	То же
К 1107ПВ3	6	0,02	То же

В таблице 5 приведены технические характеристики некоторых типов АЦП, реализованных в виде интегральных микросхем.

Таблица 6

Тип преобразователя	Типичная разрядность	Типичное tпр	Особенность
Последовательного счета	10-12	0,1-1 мс	Средняя точность низкое быстродействие
Поразрядного счета	10-12	1-100 мкс	Высокая точность и быстр.
Следящего уравновешивания	10-12	0,1-1 мс	Точное слежение за сигналом с ограниченной скоростью
Параллельного преобразования	6-8	10-100 нс	Сверхвысокое быстродействие
Двойного интегрирования	10-12	1-10 мс	Низкое быстродействие высокая помехоустойчивость

В таблице 6 приведены сравнительные характеристики АЦП, реализованных по перечисленным выше основным методам преобразования.