5.4. Ацп, основанные на методе сравнения и вычитания

Идея таких преобразователей напряжения основывается на возможности разложения любого значения преобразуемого напряжения на сумму составляющих, относящихся между собой, как степени двойки:

.

где – преобразуемое напряжение,,–i-й эталонный уровень.

В преобразователях напряжения в код, построенных по методу сравнения и вычитания, производится последовательное сравнение известных по величине эталонных напряжений с преобразуемым напряжением .

Значение старшего эталонного уровня должно быть равно или превышать половину допустимого преобразуемого напряжения .

Максимальное быстродействие преобразования по методу сравнения и вычитания может быть получено при определении кода, эквивалентного по алгоритму, предложенному Шенноном.

Алгоритм Шеннона

На первом этапе преобразуемое напряжение сравнивается со старшим эталонным напряжениеми производится определение разности по величине:

и по знаку:

- если , то;

- если , то.

Формально после первого сравнения и вычитания имеем, напряжение, которое можно записать в виде

.

На втором этапе производится сравнение полученной разности со следующим эталонным уровнем напряжения .

.

Если , то, иначе.

В результате на выходе второго этапа сравнения имеем напряжение разности и значение.

Рассуждая таким же образом и далее, через шагов будем иметь:

Пример:

Дано: .

Получаем:

Существует много вариантов построения преобразователей сравнения и вычитания, которые различаются как по типу схем, так и конструктивно. Однако все они могут быть разделены на 2 группы:

- преобразователи без цепи обратной связи – АЦП конвейерного типа;

- преобразователи, имеющие обратную связь между выходом и входом.

Преобразователи второй группы построены в виде замкнутых систем, входное напряжение всегда сравнивается с суммой эталонных напряжений. Основным их элементом являются ЦАП, рассмотренный в предыдущем разделе.

5.5. Ацп последовательного приближения (пнк, использующий в обратной связи цап с суммированием с учетом веса разряда)

Указанный преобразователь может работать только в циклическом режиме.

В каждом цикле преобразования производится его последовательное сравнение с суммой эталонных напряжений, выработанных в ЦАП и имеющих соответствующий вес (см. рис. 5.11).

Рис. 5.11. АЦП последовательного приближения.

Схема состоит из следующих узлов:

- генератор импульсов – ГСИ – тактирующий и синхронизирующий работу преобразователя;

- распределитель импульсов, выдающего импульсов (- разрядность преобразователя);

- триггеры служат для фиксации цифрового кода и определяют выходное напряжение ЦАП –;

- ЦАП – для выработки эквивалентному коду в триггерах;

- – компаратор для сравнения измеряемого напряженияи напряжения обратной связи.с помощью вентилейпроизводит управление состоянием триггеров регистра кода.

Временная диаграмма работы АЦП представлена на рис. 5.12.

В начале очередного цикла преобразования все триггеры устанавливаются в нулевое состояние. После этого распределитель импульсов выдает на выход 1 импульс, который устанавливает в единичное состояние.

В данном преобразователе применяется алгоритм Шеннона, т.е. сравнение начинается со старшего разряда (старшего эталона). В результате на входе ЦАП появляется напряжение .

Компаратор производит сравнение входного напряженияи напряжения обратной связи, снимаемого с ЦАП:

, то ;;

, то ;.

Указанный сигнал с компаратора поступает на все вентили, но с распределителя импульсов в следующий такт появляется положительный импульс на выходе, т.е. поступает на второй вход вентиля.

Рис. 5.12. Временная диаграмма работы АЦП.

Если , тоостается в единичном состоянии, т.е., а если, тосбрасывается в нулевое состояние, т.е., старший эталонсбрасывается и не участвует в дальнейшем уравновешивании.

В результате, после полного первого такта на выходе ЦАП будет напряжение:

.

После этого появляется импульс на выходе 2 распределителя и устанавливается в единичное состояние. На выходе ЦАП появляется напряжение:

.

По результатам сравнения с триггерсбрасывается в нуль или остается в единичном состоянии и по окончании тактана выходе ЦАП будет напряжение:

.

Обычно импульс исовмещены, т.е. окончание такта разрядаявляется началом такта разряда.

Подобным образом идет процесс до такта. На выходе ЦАП будет напряжение, уравновешивающеес точностью ЕМР:

.

Полная статическая погрешность АЦП определяется погрешностью используемого ЦАП, чувствительностью и смещением компаратора .

Время преобразования, которое определяется числом разрядов АЦП и тактовой частотой, постоянно для любого значения входного сигнала и имеет вид

.

Полное время цикла преобразования должно включать в себя также время на начальную установку преобразователя и время на съем информации после окончания преобразования.

Частота импульсов выбирается так, чтобы в каждом такте происходили установление выходного напряжения ЦАП с заданной точностью и полное срабатывание компаратора.

В связи с тем, что переходные процессы наиболее длительные в 1 (первом) такте, т.к. на выходе ЦАП устанавливается максимальный перепад напряжений, а точность на любом участке требуется , т.е. до, то определим время установления напряжения на выходе ЦАП, считая его инерционным звеном с частотой срезаили.

Рис.5.13 Определение времени установления напряжения на выходе ЦАП.

При единичном скачке погрешность для звена первого порядка определяется как , где– время установления с заданной точностью.

Логарифмируем: . Если, т.е.ЕМР, тои.

При увеличении номера такта, частоту можно увеличивать, т.к. скачки напряжения уменьшаются в 2 раза, при переходе на соседний такт. Это позволяет сократить , выполнив тактовую частоту переменной.

Применив мультиплексор, можно измерять много параметров, т.е. имеется возможность многоканальной работы.

По данному принципу строятся АЦП до 16 двоичных разрядов.