Аналого-цифровые преобразователи параллельного действия

Параллельные АЦП (их ещё называют ПНК считывания) представляют собой группу параллельно-включенных компараторов.

Аналоговый входной сигнал U_вх прикладывается ко всем компараторам одновременно. Один из входов каждого компаратора подключается к собственному опорному напряжению.

Значения опорных напряжений компараторов отличаются друг от друга на напряжение, соответствующее младшему двоичному разряду.

Все компараторы, для которых U_вх > U_оп изменяют состояние своих входов после подключения U_вх. Остальные компараторы, для которых U_вх < U_оп не меняют свое состояние. Выходы компараторов подключены к декодирующей схеме, которая преобразует совокупность состояний компараторов, после приложения U_вх в позиционный двоичный код.

Рис. 132. Структурная схема АЦП параллельного действия

Для уяснения работы данного АЦП рассмотрим двухразрядный АЦП со схемой декодирования.

Рис. 133. Схема двухразрядного АЦП

Опорные напряжения, прикладываемые к компараторам, начинаются от значения U_оп1, равного половине младшего разряда.

Для двух разрядов необходимо компаратора. ЕслиU_оп=3, то половина младшего разряда будет 0,5 В.

Далее значение U_оп каждого разряда увеличивается на величину двоичного веса.

Считаем до 3, значит вес одного разряда В.

Для В,В.

Если U_вх < 0,5 В, то все выходы компараторов имеют низкий уровень и цифровой код будет 00.

Если 0,5 < U_вх < 1,5 В, то выход компаратора №1 приобретает высокий уровень, а выходы второго и третьего – низкий. Выход компаратора №2 после инвертирования поступает на схему совпадения, на первый вход которой поступает высокий уровень с компаратора №1 и высокий уровень со схемы совпадения через ИЛИ приводит к появлению кода 01.

Если 1,5 < U_вх < 2,5 В, то выход компаратора №2 приобретает высокий уровень, в выход «И» низкий, при этом код 10.

Если U_вх > 2,5 В, то выходы всех компараторов приобретают высокий уровень и код 11.

Основным достоинством схемы параллельного АЦП является высокое быстродействие (< 30 нс). Это объясняется тем, что цифровой код появляется практически сразу по истечении времени переключения компараторов. Но при этом имеет место разное время задержки для различных разрядов за счет разброса времени срабатывания компараторов и различного числа каскадов логических схем для различных разрядов.

Поэтому значения разрядных кодов передаются в выходной регистр кода по сигналу стробирования, с задержкой, необходимой для уверенного срабатывания всех компараторов и с учетом максимальной задержки на логических элементах.

Основной недостаток в том, что для реализации многоразрядного АЦП требуется очень большое количество оборудования:

, еслиn = 8, то

компараторов и надо формировать 255 опорных уровней и иметь громоздкую декодирующую схему.{1107ПВ1}.

Аналого- цифровые преобразователи поразрядного кодирования

Поразрядное взвешивание является наиболее распространенным методом аналого-цифрового преобразования.

Эти АЦП имеют достаточную скорость (для n-разрядного требуется n тактов) и не так .много оборудования. То есть в сравнении с быстродействующими (параллельными АЦП) и точными, но медленными (двухтактными интегрирующими АЦП) они как бы занимают промежуточное положение.

Рис. 134. Структурная схема и временные диаграммы работы АЦП

В данном преобразователе для формирования эталонных уровней напряжения используется ЦАП. В данном АЦП кодирование входного напряжения осуществляется путем последовательного сравнения его с суммой эталонных напряжений, формируемых ЦАП. Процесс кодирования похож на подбор гирь при взвешивании на весах, поэтому АЦП данного типа называют преобразователями взвешивания или АЦП последовательных приближений.

Преобразователь состоит из источника опорного напряжения (ИОН), генератора тактовых импульсов (ГОЧ), ЦАП, компаратора и регистра последовательных приближений. Регистр последовательных приближений (РПП) состоит из регистра хранения, регистра сдвига и схемы управления. В качестве РПП могут использоваться серийные микросхемы К155ИР7 на 12 разрядов или К564ИР13.

Преобразование начинается с установки в «1» в старшем разряде регистра хранения и «0» во все остальные. ЦАП преобразует старший разряд в аналоговое напряжение, равное или половине полной шкалыU_оп.

Компаратор сравнивает выход ЦАП с аналоговым входным сигналом. Если входное напряжение больше, чем выходное ЦАП, то в ячейке старшего разряда сохраняется «1», в противном случае в этом разряде устанавливается «0».

Регистр сдвига в начале следующего такта сдвигает «1» в следующий младший разряд. Выходное напряжение ЦАП при этом ().

Если выходное напряжение ЦАП при этом меньше, чем U_вх, то в следующем разряде установится «1», в нашем примере U_вх < U_ЦАП, поэтому во втором разряде установится «0». Процесс продолжается до тех пор, пока не будут проверены все разряды.

Поэтому полное время преобразования n-разрядного АЦП пропорционально n тактам взвешивания. Кроме того, на считывание кода и подготовку к следующему циклу затрачивается еще один такт преобразования.

При реализации АЦП в интегральном исполнении длительность такта t_гоч < 1 мкс.

Статическая ошибка АЦП определяется в основном точностью используемого ЦАП и компаратора.

При этом стандартным требованием по точности является следующее: ошибки, вносимые за счет погрешностей используемых элементов, не должны превышать половины младшего разряда кода, откуда можно и определить требования к погрешности регистров и ключей ЦАП, стабильности ИОН и чувствительности компаратора.

Так для 10-ти разрядного АЦП с U_max = 10 В, можно найти, что относительные погрешности РМ и ИОНдолжны быть, а чувствительность компараторамВ. В противном случае младшие разряды кода будут не достоверны.

В случае, если за время преобразования входной сигнал может измениться более чем на половину младшего разряда, на вход АЦП необходимо включить устройство выборки и запоминания, иначе в преобразователе устанавливается такое напряжение на выходе ЦАП, которое не уравновешивает входной сигнал.№№

Преобразователи взвешивания могут обеспечивать точность до 0,005%, что соответствует 14  15 двоичным разрядам кода, при времени преобразования – единицы микросекунд.

Контрольные вопросы

1. Преимущества и особенности применения преобразователей слежения.

2. АЦП параллельного действия.

3. Принцип работы и особенности АЦП поразрядного кодирования.