Контрольные вопросы

1. Для чего необходимы аналоговые ключи, в какой области техники они находят наиболее широкое применение?

2. Почему нецелесообразно использование биполярных транзисторов в качестве основы построения аналоговых ключей?

3. Объясните принцип работы МОП-транзистора. Что такое обогащённый транзистор?

4. Какое условное обозначение принято для МОП-транзисторов с n–каналом и р-каналом?

5. Объясните работу КМОП-транзистора в аналоговом ключе при прохождении биполярного входного сигнала.

6. В чём заключаются преимущества построения однокаскадного усилителя на базе двух МДП-транзисторов, включенных последовательно и образующих комплементарный (дополняющий) КМОП-транзистор?

Лабораторная работа № 3. Исследование аналого-цифрового преобразователя с динамической компенсацией

Целями работы являются: усвоение студентами принципов работы аналого-цифровых преобразователей (АЦП), изучение структурной схемы АЦП с динамической компенсацией, отдельных её узлов, сборка принципиальной схемы этого АЦП и проведение испытаний.

Краткая теория

Преимущества обработки информации и осуществления функций уп­равления с использованием цифровых методов становятся всё более очевидными. Однако данные, которые поступают из реального мира, обычно представлены в аналоговой форме. Необходимый аналого-цифровой интерфейс обеспечивает система сбора данных. Она преобразует исходные данные от одного или нескольких измерительных преобразователей в выходной сигнал, пригодный для цифровой обработки; преобразование осуществляется с помощью таких компонентов, как усилители, фильтры, схемы выборки-хранения, мультиплексоры и аналого-цифровые преобразователи (АЦП).

Наиболее важным компонентом таких систем является аналого-цифровой преобразователь АЦП [2, 3, 4, 5].

Принципы работы АЦП. Основное соотношение между входными и выходными сигна­лами. Аналого-цифровое преобразование, по существу, является опе­рацией, устанавливающей отношение двух величин. Входной аналоговый сигнал U_вх преобразуется в цифровой код N_вых по какой-либо функциональной зависимости, чаще всего линейной или, точнее, кусочно-линейной: N_вых= f(U_вх). При этом могут использоваться различные алгоритмы отыскания цифрового эквивалента входному аналоговому сигналу. Довольно часто в основе этого процесса лежит преобразование входного сигнала в дробь х путём сопоставления его значения с уровнем опорного сигнала U_оп. Цифровой сигнал преобразователя есть кодовое представление этой дроби. Это фундаментальное соотношение иллюстрируется на рис. 3.1, а.

Если выходной двоичный код преобразователя является n–разрядным, то число дискретных выходных уровней равно 2ⁿ. Для взаимно однозначного соответствия диапазон изменения входного сигнала должен быть разбит на такое же число уровней. Каждый квант – величина интервала такого разбиения – представляет собой значение аналоговой величины, на которое отличаются уровни входного сигнала, представляемые двумя соседними кодовыми комбинациями. Этот квант называют также величиной младшего значащего разряда (МЗР). Таким образом,

Q = МЗР = ПД / 2ⁿ,

где Q – квант; МЗР – аналоговый эквивалент единицы МЗР; ПД – полный диапазон изменения входного аналогового сигнала.

Все аналоговые величины внутри заданного интервала разбиения представляются одним и тем же цифровым кодом, которому ставят в соответствие значение аналоговой переменной в средней точке интервала, называемой пороговым уровнем. Тот факт, что входной сигнал может отличаться от порогового уровня на величину, достигающую +1/2 МЗР, не отличаясь при этом по кодовому представлению, означает, что любому процессу аналого-цифрового преобразования присуща неопределённость (погрешность) дискретизации, равная 1/2 МЗР. Её влияние можно уменьшить, увеличивая число разрядов в выходном коде преобразователя. На рис. 3.1, б показана взаимосвязь входных и выходных сигналов для идеального 3-разрядного АЦП. Величина МЗР равна 1/8 ПД, а диапазон изменения входного сигнала разбит на 8 отдельных уровней, от 0 до 7/8. Обратим внимание, что максимальное двоичное число 111 на выходе преобразователя соответствует не полному диапазону, а 7/8 ПД. С учётом того, что одна из кодовых комбинаций присваивается нулевому уровню входного сигнала, максимальный выходной сигнал АЦП всегда соответствует аналоговой величине полного диапазона минус 1 МЗР.

а	б
Рис. 3.1. Аналого-цифровой преобразователь: а – взаимосвязь сигналов; б – передаточная характеристика идеального 3-разрядного АЦП

Точность преобразователя. Точность преобразователя определяется как максимальная разность между фактическим входным напряжением и аналоговым эквивалентом двоичного выходного кода при заданном полном диапазоне. Этот параметр называют абсолютной точностью, когда его значение указывается в вольтах. Однако гораздо чаще при определении точности за единицу измерения аналогового сигнала принимается величина МЗР; тогда речь идёт об относительной точности. В любом случае погрешность преобразователя есть максимальное значение суммы всех его погрешностей, включая погрешность квантования. В спецификации погрешностей преобразователя обычно указываются отдельные погрешности в единицах МЗР.

Входные и выходные сигналы преобразователя. Аналоговый входной сигнал. Большинство АЦП сконструировано в расчёте на работу с дифференциальным или отсчитываемым от потенциала «земли» однополярным входным сигналом. Уровень этого сигнала должен быть согласован с установленным входным диапазоном преобразователя. Чаще всего используются входные диапазоны 0…10 и 0…5 В. Если фактический диапазон изменения входного сигнала составляет только часть пол­ного входного диапазона АЦП, то некоторые выходные кодовые комбинации преобразователя никогда не будут реализованы. При этом неоправданно сужается динамический диапазон преобразователя, что приводит к более сильному влиянию погрешностей преобразования. Наилучшее решение – выбор АЦП с наиболее подходящим входным диапазоном или предварительное масштабирование входного сигнала с помощью операционного усилителя.

Для двухполярного (биполярного) входного сигнала тоже можно использовать однополярный преобразователь, сначала масштабируя этот сигнал, а затем добавляя к нему напряжение смещения (рис. 3.2).

а)

б)

Рис. 3.2. Согласование биполярного сигнала с униполярным АЦП:

а – входной сигнал масштабируется и смещается; б – схема реализации такого преобразователя

Если же на выходе необходимо иметь информацию о полярности сигнала, приходится использовать биполярный преобразователь. Биполярные АЦП работают с биполярными входными сигналами, чаще всего от –5 до +5 В, и вырабатывают выходные сигналы в виде цифровых кодов (дополнительного, смещённого, прямого или обратного), позволяющих определять знак входного сигнала.

Для работы каждого АЦП нужен аналоговый сигнал, с которым срав­нивается входной сигнал. Любая погрешность опорного сигнала проявляется как погрешность усиления в передаточной характеристике АЦП. Поэтому точность и стабильность опорного сигнала являются важнейшими факторами в реализации полной точности АЦП.

Выходной цифровой сигнал АЦП характеризуется числом разрядов (разрешением) и типом используемого кода. Наибольшее распространение получили АЦП с 8– и 12-разрядным разрешением. В униполярных преобразователях в качестве выходного кода чаще всего используется обычный двоичный код.

Для функционирования любого АЦП требуются синхронизирующий и некоторые управляющие сигналы. Представление об управляющих сигналах лучше всего получить, рассматривая один цикл преобразования типичного АЦП. Внешнее устройство, с которым связан АЦП (например, микропроцессор), инициирует процесс преобразования путём переключения на один такт входа АЦП в состояние высокого уровня. В момент начала процесса преобразования АЦП переводит в состояние низкого уровня свою линию BUZY/ЕОС (АЦП занят/Преобразование завершено). Таким образом, внешним устройствам сообщается, что идёт процесс преобразования и что пока не следует вести поиск выходных данных, не следует инициировать новый цикл преобразования. По завершении текущего преобразования АЦП возвращает эту линию в исходное состояние высокого уровня. Этот переход используется, как правило, для генерации сигнала прерывания микропроцессора или какого-либо другого сигнала, сообщающего центральному устройству о завершении преобразования. Центральное устройство посылает в АЦП сигнал разрешения вывода (ОЕ), разрешающий АЦП выдачу выходного слова на шину данных. В преобразователях с более чем 8-разрядным разрешением сигнал ОЕ может разбиваться на два сигнала – разрешение вывода старшего байта (НВЕ) и разрешение вывода младшего байта (LВЕ), в результате чего выходное слово преобразователя может передаваться по 8-разрядной шине данных в виде двух последовательных посылок.

На рис. 3.3, а показана структурная схема АЦП с динамической компенсацией (или последовательного счёта). В этом АЦП используется счётчик импульсов, который в процессе счёта обеспечивает постепенное нарастание выходного сигнала связанного с ним ЦАП, пока этот сигнал не превысит уровень входного сигнала. Показания счётчика сбрасываются на нуль перед началом каждого преобразования, и затем счетчик увеличивает своё содержимое на 1 при прохождении каждого тактового импульса. Выходной сигнал ЦАП при каждом единичном изменении состояния счётчика возрастает на величину МЗР, как показано на рис. 3.3, б. Компаратор останавливает счётчик, когда выходное напряжение ЦАП достигает уровня входного сигнала. Состояние триггеров счётчика в этот момент как раз и определяет цифровой выходной сигнал АЦП. Главный недостаток этого простого способа аналого-цифрового преобразования – зависимость времени преобразования от уровня входного сигнала, причём это время может быть довольно велико (2n 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 – используется реверсивный счётчик, позволяющий ЦАП непрерывно отслеживать входной сигнал при условии, что изменения входного сигнала невелики. Останавливая счётчик подачей внешнего воздействия в нужный момент времени, можно использовать следящий АЦП в качестве устройства выборки и хранения (УВХ) с цифровым выходом и сколь угодно большим временем хранения. Допуская возможность счёта 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.

а

б

Рис. 3.3. АЦП с динамической компенсацией:

а – упрощенная структурная схема; б – временная диаграмма сигналов