5.1. Классификация

В преобразователях электрических величин в цифровой код применяются все три метода измерения аналоговых величин:

- метод считывания;

- метод последовательного счёта (циклические);

- метод сравнения и вычитания.

АЦП считывания.

Входная аналоговая величина сравнивается с помощью компараторов с наборомэталонов. Современная технология позволяет изготавливать БИС шестиразрядных АЦП считывания (63 компаратора и около 100 логических схем). Указанные преобразователи обладают наибольшей скоростью преобразования. Применяя методы свертки можно поднять разрядность АЦП считывания.

АЦП последовательного счёта.

АЦП с применением метода последовательного счёта, представляют особую группу АЦП = интегрирующего типа. Показания этих АЦП пропорциональны среднему значению напряжения. Они выделяются хорошей помехозащищенностью, высокой чувствительностью, малой погрешностью, но сравнительно невысоким быстродействием.

По способу преобразования напряжения в цифровой эквивалент АЦП данного вида делятся на приборы:

- с промежуточным преобразованием напряжения во временной интервал;

- с промежуточным преобразованием напряжения в частоту импульсов.

Возможно также построение преобразователей с использованием комбинации этих принципов.

Частным случаем АЦП с промежуточным преобразованием в частоту являются преобразователи и статистическо-эргодические преобразователи (СЭМ). СЭМ преобразователи обладают повышенной чувствительностью на фоне шумов и помех. Интегрирующие преобразователи нашли широкое применение при построении цифровых вольтметров.

Преобразователи сравнения и считывания.

Преобразователи данного типа подразделяются на АЦП с обратной связью и без обратной связи. Эти АЦП нашли широкое применение, благодаря хорошим показателям по точности, быстродействию и аппаратурным затратам.

Структурно классификация АЦП представлена на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Классификация преобразователей электрических величин

в цифровой код.

5.2. Ацп считывания

В основе данного АЦП лежит метод считывания. Входная аналоговая величина сравнивается с помощью компараторов с наборомэталонных напряжений (см. рис. 5.2).

Код, образующийся в результате срабатывания младших компараторов (нормальный унитарный код на выходе с компаратора, такой код ещё называют термометрическим или термокод), преобразуется с помощью специального дешифратора в двоичный или двоично-десятичный.

Пример дешифрации термокода в двоичный код можно представить на основе анализа рис. 5.3.

Рис. 5.2. АЦП считывания.

Рис. 5.3. Диагарамма дешифрации термокода.

Компараторы срабатывают при выполнении неравенства, гдепорог срабатывания компаратора, задаваемый резистивным делителем. Резистивная сетка должна быть изготовлена из низкоомных резисторов, с тем, чтобы входные токи компараторов не влияли на сетку пороговых напряжений, и иметь достаточно высокую точность.

Для монолитных АЦП можно использовать резисторы, изготовленные по технологии ионного легирования с точностью порядка 0,32% и стабильные в широком диапазоне температур.

Инструментальная погрешность АЦП считывания определяется точностью выполнения СР, погрешностями эталонного источника и компараторов (гистерезис, изменение порога чувствительности в заданном диапазоне температур).

В книге под редакцией Смолова В.Б. ( «Микроэлектронные ЦА и АЦ преобразователи информации» 1976г. стр. 152) показано, что максимальная относительная погрешность выходного напряжения делителя при использовании резистивного делителя с нестабильными плечами находится в середине делителя (– коэффициент деления делителя).

Полная приведенная погрешность преобразователя для этого случая имеет следующее выражение:

,

где – относительная погрешность эталонного источника напряжения,– максимальная погрешность из-за изменения порога чувствительности компараторов,– относительная погрешность резисторов делителя.

Быстродействие АЦП определяется временем срабатывания компараторов и задержкой распространения сигнала в логических схемах:

,

где – максимальное время срабатывания компараторов,– задержка распространения сигнала в логических схемах,– количество последовательно соединённых логических схем.

Так как указанные преобразователи применяются в основном для скоростных процессов и имеют время преобразования менее 1мкс, то возникает проблема неоднозначности считывания выходного кода, так как и длина логической линии для различных цепей нормального единичного кода различна.

Для устранения неоднозначности считывания иногда применяют СВХ на входе, тогда общее время преобразования увеличивается на , или используется принцип мгновенной фиксации, то есть проводится мгновенная стробировка компараторов с последующей обработкой.

В качестве дешифратора может быть использовано ПЗУ. Адрес ПЗУ образуется компараторами, на выходе ПЗУ имеем двоичный код.

Для повышения разрядности преобразователей считывания применяют усложнение структурной схемы АЦП.

Нашли применение два типа структурных схем:

1. Параллельно-последовательные АЦП, иногда их называют конвейерные АЦП.

2. Многокаскадные АЦП.

Рассмотрим работу предложенных структур.

Последовательно-параллельный АЦП.

Структурная схема имеет вид, представленный на рис. 5.4.

Рис. 5.4. Структурная схема

последовательно-параллельного АЦП.

Измеряемое напряжение подаётся на АЦП1, на выходе АЦП1 вырабатывается под разрядностью . Кодподаётся на ЦАП, на выходе которого вырабатывается квантованное значение напряжения, пропорционального коду.

Измеряемое выходное напряжение ипоступают на дифференциальный усилитель, где определяется их разность с одновременным усилением враз.

Эта разность подаётся на второй АЦП, который оцифровывает это разностное напряжение и вырабатывает код .

Выходной код равен

.

Для лучшей стыковки кодовых шкал грубого отсчёта (код ) и точного счёта (код), применяют перекрытие кодовых шкал наразряда, то естьмладших разряда шкалы кодаимеют тот же вес, что истарших разряда шкалы кода.

Применяют до последовательно включенных каскада. Структурная схема такого преобразователя рассмотрена на примере АЦП типаAD872A фирмы Analog Devices (см. рис. 5.5).

Рис. 5.5. Структурная схема м/с AD872A.

Каскадное включение АЦП считывании.

Для увеличения разрядности АЦП считывания на 1 или 2 разряда требуется включить каскадном 2 или 4 АЦП.

Рассмотрим пример схемы 4-х каскадного включения ИС К1107ПВ3 для достижения 8-ми разрядного разрешения (см. рис.5.6).

Рис. 5.6. Структурная схема м/с К1107ПВ3.

Диапазон опорных напряжений делится резисторамипоровну между каждой микросхемой. Предельно допустимое напряжениене должно превышать допустимого опорного напряжения для одной микросхемы. Для получения 8-ми разрядного кода на выходе применяют три микросхемы «исключающее ИЛИ».

Соответствующие разряды микросхем АЦП соединены и нагружены общими резисторами, не показанными на схеме, на которых выполняется функция «монтажного» ИЛИ.

При повышении напряжения от допоследовательно работают микросхемы АЦП, начиная с нижней. Выходы переполнения формируют с помощью трёх схем «исключающего ИЛИ» старшие 2 разряда.

Следует иметь в виду, что требования к обрамлению микросхем АЦП жесткие: сигнальные шины должны быть одинаковой длины, цифровые выводы соединялись дорожками в виде согласованных микрополосковых линий.