11.12. Гсин на базе цап

На базе ЦАП можно построить генератор ступенчато изменяющегося напряжения (ГСИН). Для этого необходимы высокостабильный генератор прямоугольных импульсов типа меандра (например – кварцевый генератор гармонических сигналов с двусторонним усилителем-ограничителем на выходе), двоичный счетчик со схемой остановки и сброса по заданному номеру импульса и ЦАП. Функциональная схема ГСИН на базе ЦАП приведена на рис. 11.20.

Рис. 11.20

Ступенчато изменяющееся напряжение (СИН) применяется в различных индикаторных устройствах. СИН – многоуровневый, аналоговый сигнал. Построение ГСИН на базе ЦАП является примером того, как при решении задач аналоговой электроники может быть использован арсенал цифровых схем. Наряду с ГСИН на базе ЦАП существует и чисто аналоговая схема генератора ступенчато изменяющегося напряжения, но она сложна по своему принципу действия и генерирует СИН с относительно длинными фронтами.

11.13. Параллельный ацп

Существует два типа аналогоцифровых преобразователей. АЦП параллельного типа осуществляет сравнение аналогового многоуровневого сигнала одновременно с большим количеством порогов, которые поступают на компараторы. Схема параллельного АЦП приведена на рис. 11.21.

Рис. 11.21

Пороги задает высокоточный резистивный делитель. Сами компараторы, являющиеся двухвходовыми, устроены несколько иначе, чем рассмотренные в главе 7: на их выходах формируются не разнополярные сигналы с уровнями + Е и −Е, а однополярные со значениями U⁰ и U¹. Этого можно добиться, подключив к выходам компараторов сумматоры (на рис. 11.21 сумматоры не показаны). Чем выше точность преобразования, тем больше требуется порогов и в результате тем более сложной и громоздкой становится схема. Например, если значение аналогового сигнала колеблется в пределах от 0…1 В и требуется преобразовать его в код с погрешностью не более 1 %, то необходимо 100 порогов, отстоящих друг от друга на 10 мВ, и, соответственно сто компараторов. В то же время в «булевой» алгебре для преобразования многоуровневого сигнала в код потребуется всего 7 разрядов.

Однако двоичный код, вырабатываемый на выходах компараторов, не соответствует «булевой» алгебре. Фрагмент этого кода приведен в табл. 11.6. Таким образом, в состав АЦП необходимо включить преобразователь код/код.

Табл. 11.6

Десятичное число	Код на выходе блока компараторов
0	00000
1	00001
2	00011
3	00111
4	01111
5	11111

Громоздкость схемы является недостатком параллельного АЦП, но зато параллельность процедуры преобразования обеспечивает хорошее быстродействие АЦП данного типа.

11.14. Последовательный ацп

Последовательный АЦП по своему построению существенно отличается от параллельного. В схеме – всего один компаратор. На один из его входов поступает аналоговый многоуровневый сигнал, а на другой – порог, с которым он сравнивается. Однако этот порог – не постоянный, а меняющийся пошагово. Пошагово меняющийся порог – не что иное, как ступенчато изменяющееся напряжение, и для его формирования используют ГСИН.

Упрощенная функциональная схема последовательного АЦП приведена на рис. 11.22, а поясняющие процесс преобразования диаграммы напряжений в точках схемы – на рис. 11.23. Генератор тактовых импульсов, схема И, двоичный счетчик и ЦАП образуют ГСИН.

Рис. 11.22

Допустим, что аналоговый сигнал впервые после начала работы АЦП поступил на компаратор. Счетчик обнулен, поэтому на выходе ЦАП – нулевое напряжение. Компаратор сравнивает аналоговый сигнал с нулевым порогом. Схема компаратора собрана так, что при превышении сигналом порога на его выходе имеет место уровень U¹ и схема И пропускает тактовые импульсы в счетчик. При поступлении первого тактового импульса в счетчик напряжение на выходе ЦАП повышается на одну «ступеньку» и теперь аналоговый сигнал сравнивается в компараторе не с нулевым порогом, а с напряжением этой «ступеньки». Если аналоговый сигнал больше ступеньки – счёт импульсов и выработка новых порогов продолжаются. Но как только аналоговый сигнал оказывается ниже уровня порога – компаратор переключается, на его выходе устанавливается уровень U⁰, блокирующий дальнейшее прохождение тактовых импульсов через схему И в счетчик. Параллельный код на выходе счетчика соответствует уровню входного аналогового сигнала.

Рис. 11.23

Так как схема является упрощенной, то в ней не показаны некоторые связи, имеющие функциональное значение. Во-первых, код на выходе счетчика непрерывно меняется в процессе счета импульсов. Потребителя интересует только конечный результат и, чтобы сохранить его, в схему вносят регистр. Перезапись двоичного кода из счетчика в регистр должна произойти не ранее обнуления регистра, но после окончания счета импульсов. После перезаписи надо обнулить и счетчик, чтобы восстановить первоначальный нулевой порог и начать процедуру аналого-цифрового преобразования повторно. Таким образом, требуется сформировать три задержанных друг относительно друга импульса. Первый из них (импульс обнуления регистра) можно сихронизировать с моментом переключения компаратора (например, формировать короткий импульс из перепада уровней на выходе компаратора с помощью пассивной дифференцирующей цепи). При «доводке» схемы АЦП до реально работающей следует предусмотреть также придание импульсам требуемой полярности (с помощью инверторов), а в каких-то случаях – прямоугольной формы.

Последовательный АЦП выгодно отличается от параллельного отсутствием огромного количества однотипных блоков. Однако работает он медленнее, чем параллельный АЦП. Самый главный недостаток – переменное быстродействие в зависимости от уровня преобразуемого аналогового сигнала: чем этот уровень больше, тем дольше надо считать тактовые импульсы до переключения компаратора.