книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

ния в выходном сигнале в моменты смены кода. При управлении ЦАП от цифровых устройств с жесткой логикой управляющие входы его ключей подключены непосредственно к выходам цифровых устройств. Если ЦАП входит в состав микропроцессорной системы и получает входной код от шины данных, то он должен быть снабжен устройствами, позволяющими принимать входное слово от шины данных, коммутировать в соответствии с ним ключи ЦАП и хранить это слово до получения другого. Для управ­ ления процессом загрузки входного слова ЦАП должен иметь соответст­ вующие управляющие входы и схему управления. В зависимости от спо­ соба загрузки различают преобразователи с последовательным и парал­ лельным интерфейсами входных данных.

Для облегчения выбора пользователем ЦАП в соответствии с типич­ ными значениями основных параметров их подразделяют на группы:

•быстродействующие, имеющие время преобразования от долей до десятков наносекунд с преимущественно токовым выходом;

•микромощные, потребляющие в нормальном режиме десятые доли милливатт, а в экономичном режиме на порядок меньше;

•прецизионные, обладающие повышенной разрядностью (до 24

разрядов) при высокой линейности проходной характеристики. Высокие значения одних параметров, как правило, сопровождаются

некоторым ухудшением других. Быстродействующие преобразователи имеют большое энергопотребление, время преобразования микромощных ЦАП достаточно велико и составляет от единиц до десятков микросекунд, при этом те и другие имеют не более 8 ...12 разрядов.

14.3. Аналого-цифровые преобразователи

Эти преобразователи предназначены для сопряжения аналоговых устройств с цифровыми вычислительными системами различного назначе­ ния (в измерительных приборах, устройствах дискретной автоматики, бло­ ках цифровой индикации, датчиках и многих других агрегатах). Процесс аналого-цифрового преобразования включает операции дискретизации не­ прерывного напряжения ux{t) во времени и квантование по уровню с по­ следующим присвоением числового эквивалента, выраженного в форме кода. При анализе процессов, происходящих в АЦП, обычно предполага­ ют, что процесс взятия и хранения выборки непрерывного сигнала отно­ сится к подготовительным операциям и считается выполненным.

Простая структура АЦП, называемого параллельным или считы­ вающим, содержит: набор эталонов (напряжений или токов), блок сравне­ ния (компаратор) входного и эталонного напряжений, шифратор для пред­ ставления результата в заданном коде (рис 14.18). Преобразуемое входное напряжение Ux подается на вход многоканального блока сравнения (ком­ паратора). На другие входы компаратора поступает набор N эталонных на-

пряжений Uo, 2U0,..., NU0, полученных делением стабильного onopHOi напряжения Uon.

g

«

О

даI

Рис. 14.18. Структура параллельного АЦП

В результате сравнения происходит срабатывание всех каналов кем паратора, для которых выполняется условие Ux >jU$. На их выходах уста­ навливаются высокие уровни напряжений ü \ соответствующие единич­ ным значениям логических сигналов. Полученный набор напряжений ну­ левого и единичного уровней поступает на вход шифратора, который пре­ образует этот код в двоичный или другой, удобный для передачи и преоб­ разования.

Рассмотренный АЦП осуществляет одновременное (параллельное) сравнение входного сигнала с набором эталонных напряжений всех уров­ ней. Структура преобразователя без обратной связи обеспечивает непо­ средственное преобразование входного напряжения в код. Метрологи1jские (точностные) параметры АЦП зависят от числа уровней и характери­ стик эталонного напряжения, а также параметров компаратора.

Параллельные АЦП обладают высоким быстродействием, так как вы­ полняют только две операции: сравнение напряжений и преобразование ко­ да. Время преобразования складывается из интервалов срабатывания ком­ паратора и шифратора. При высокой разрядности п большое число компара­ торов N= 2 ”, позволяющее обеспечить одновременное сравнение со всеми эталонами, приводит к существенному потреблению энергии.

Для целого ряда приложений скорость преобразования является важным, но не определяющим параметром при выборе АЦП. Во многих случаях решающими факторами служат высокая точность и стабильность преобразования, уровень потребления электроэнергии и стоимость.

С целью удовлетворения разнообразных требований к преобразова­ нию аналоговых сигналов в цифровые разработан ряд методов, на осионс которых создано множество АЦП, отличающихся структурой, аппаратны­ ми средствами и имеющих широкую номенклатуру электрических, метро­ логических и эксплуатационных параметров (рис. 14.19).

Рис. 14.19. Способы аналого-цифрового преобразования

Большинство методов аналого-цифрового преобразования использу­ ет процедуры последовательного формирования набора эталонных уров­ ней напряжения (дискретных или непрерывных) и их сравнение с входным аналоговым сигналом. Структура АЦП последовательного преобразования включает контур отрицательной обратной связи, обеспечивающей фикса­ цию равенства входного и эталонного напряжений и регистрацию полу­ ченного кода. Последовательное преобразование по существу выполняе­ мых операций уступает в быстродействии параллельной процедуре.

По принципу действия различают ЦАП сравнения и счета. Первые базируются на сравнении входного напряжения с последовательностью дискретных (квантованных) значений эталонных напряжений, формируе­ мых с помощью ЦАП. При совпадении значений сравниваемых напряже­ ний фиксируется код ЦАП, эквивалентный значению входного сигнала. Действие АЦП счета основано на преобразовании напряжения во времен­ ной интервал и определении числа импульсов стабильного генератора, за­ полняющих полученный интервал времени.

Вкаждой группе существует несколько типовых решений, которые заложены во многие модификации конкретных преобразователей. Напри­ мер, АЦП счета могут осуществлять непосредственное преобразование на­ пряжения в интервал или использовать интегрирование входного сигнала.

ВАЦП сравнения эталонные уровни напряжения создаются на вы­ ходе ЦАП при подаче на его вход определенных кодовых комбинаций.

При развертывающем преобразовании на вход ЦАП подаются сле­ дующие друг за другом двоичные числа, в результате чего на выходе фор­ мируется линейно нарастающее ступенчатое напряжение. Типовая структу­ ра АЦП содержит генератор импульсов (ГИ) и двоичный счетчик (СТ), формирующие последовательность кодов для ЦАП, и компаратор для срав­ нения входного напряжения Uxс выходным сигналом ицЦАП (рис. 14.20).

Рис. 14.20. Структура развертывающего АЦП (а) и диаграммы его работы (б)

С момента подачи импульса пуска Un при г=0 двоичный счетчик на­ чинает счет и выдает увеличивающиеся двоичные коды чисел в ЦАП, на выходе которого формируется линейно нарастающее ступенчатое напря­ жение иц(1). В момент ги равенства входного Ux и ступенчатого напряжений компаратор вырабатывает импульс U&, прекращающий работу счетчика. В результате на входе счетчика образуется число, код которого D отражает значение входного сигнала в момент выборки.

Основным недостатком рассмотренного АЦП последовательного сравнения является большое значение времени преобразования /и, которое, кроме того, зависит от уровня сигнала Ux. Максимальное время преобразо­ вания «-разрядного АЦП tm=2"т, где т —период следования импульсов генератора.

Точность преобразования в основном определяется чувствительно­ стью схемы сравнения (компаратора). Параметры компаратора оказывают влияние на основные показатели: быстродействие, энергопотребление, за­ нимаемую площадь кристалла

Быстродействие АЦП последовательного действия можно повысить ускоренным формированием цифрового кода и соответствующих ему уровней напряжения. Наиболее распространены АЦП с поразрядным уравновешиванием, в основе работы которых лежит принцип последова­ тельного сравнения измеряемой величины с частями эталонного напряже­ ния с U0J 2, t/on/4, UQJS и т. д. Очевидно, что для выполнения преобразова­ ния необходимо иметь п эталонных уровней напряжения (и - разрядность АЦП).

Увеличение быстродействия в таком АЦП по сравнению с «развер­ тывающим» (рис. 14.20,а) получается за счет аппаратного усложнения схе­ мы, дополнительно содержащей достаточно сложное устройство управле­ ния (УУ) и регистры Рг1 сдвига и Рг2 памяти (рис. 14.21).

Схема содержит суммирующий двоичный счетчик (СТ), генератор импульсов (ГИ), ÆS-триггер (Тг) и генератор линейно изменяющегося на­ пряжения (ГЛИН), реализованный на базе конденсатора и источника тока.

Процесс преобразования напряжения Ux в выходной код начинается с приходом в момент t\ запускающего импульса «Пуск», который устанав­ ливает в единичное состояние триггер Тг (рис.14.22,6). При этом транзи­ стор VT запирается и начинается заряд стабильным током конденсатора С. Напряжение на входе компаратора растет по линейному закону и„ = Jt/C. Счетчик начинает подсчет вырабатываемых генератором импульсов ста­ бильной частоты f При достижении уровня Un(t2) = Ux срабатывает схема сравнения и сбрасывает триггер Тг в нулевое состояние, что приводит к прекращению счета, сбросу показаний счетчика, отпиранию транзистора VT и разряду конденсатора С. Число зафиксированных счетчиком импуль­ сов D =fCUxjJ пропорционально значению входного напряжения.

Для получения высокой точности преобразования, зависящей от ха­ рактеристик ГЛИН, компаратора, ГИ, необходимо применение прецизион­ ных элементов (конденсатора, источника тока) и обеспечения стабильно­ сти работы узлов. Благодаря простоте реализации ЦАП с приведенной структурой находит применение в контрольно-управляющих устройствах, построенных на типовых элементах (ОУ, счетчиках).

Используется также разновидность АЦП непосредственного счета, основанного на интегрировании преобразуемого сигнала uBX(t)mЕсли на ин­ тервале преобразования входное напряжение можно считать неизменным ивх(() = Ux, то на выходе интегратора создается линейно нарастающее на­ пряжение uJj)=Uxt/Tn. При достижении им эталонного уровня Uon проис­ ходит срабатывание компаратора, останавливающего работу счетчика, на вход которого воздействует последовательность импульсов стабильной

такого типа относят к группе интегрирующих АЦП. Схема приведенно1г АЦП с однотактным интегрированием достаточно проста, но обеспечение высокой точности связано с весьма жесткими требованиями к частоте ге­ нератора импульсов и стабильности параметров интегратора, схемы срав­ нения (компаратора) и источника опорного напряжения.

Лучшими характеристиками обладает АЦП, работающий по прин­ ципу двухтактного (двухстадийного) интегрирования. Структура АЦП со­ держит интегратор на ОУ, ГИ стабильной частоты, компаратор, счетчик и схему управления (рис. 14.23,а). Преобразование аналогового напряжения состоит из двух этапов. На первом этапе осуществляется интегрирование входного сигнала за фиксированный интервал времени /и.

Рис. 14.23. Структура АЦП двойного интегрирования (а) и диаграмма его работы (6)

Процесс преобразования начинается с поступления команды «Пуск», которая устанавливает счетчик в нулевое состояние и переводит переклю­ чатель К в положение, при котором на вход интегратора поступает напря­ жение их. В качестве таймера используется счетчик емкостью N, на вход которого поступают импульсы стабильной частоты / с генератора ГИ. В момент полного заполнения счетчика to= N /f импульс с его выхода пере­ ключает ключ К в нижнее положение и к входу интегратора подключается источник стабильного опорного напряжения Uon. На втором этапе напря­ жение на выходе интегратора, достигшее в момент to значения Um, умень­ шается по закону w„(/) = Um- U ont/(RC) вследствие противоположной по­ лярности входного и опорного напряжений. Конденсатор будет разряжать­ ся до достижения нулевого уровня срабатывания компаратора, выходной импульс которого в момент t\ остановит счет импульсов. Счетчик зафик­ сирует код Д отражающий число М поступивших импульсов за интервал

А в т о ­ характеристику преобразования можно получить на основе равенст­

ва заряда q0 =Ucpt0/R, приобретенного конденсатором под действием сред­

него значения напряжения Ucp за интервал /о» и удаленного за время А/ за­ ряда qx =UonAt/R, Условие равенства нулю напряжения в момент срабаты­

вания схемы сравнения можно записать в форме равенства зарядов qo = Яи из которого следует соотношение M=NUcp/Uon. Отличительной особенно­

стью метода двухтактного интегрирования является практическая незави­ симость результата от постоянной интегрирования и вариации частоты импульсов генератора.

Высокая точность в преобразователях с двухтактным интегрирова­ нием обеспечивается численным сопоставлением эквивалентных входному и опорному напряжениям длительностей временных интервалов, что вле­ чет за собой увеличение времени преобразования, т.е. снижение быстро­ действия. Измерение отношения сигналов уменьшает влияние различных помех. Пропорциональность результата среднему значению входного на­ пряжения на фиксированном интервале to позволяет существенно снизить мощную помеху промышленной сети, выбрав интервал усреднения крат­ ным периоду напряжения сети.

Принцип действия приведенного преобразователя основан на ком­ пенсации входного сигнала их опорным напряжением ±Uon, периодически подключаемым к входу сумматора (вычитателя). Знак подаваемого опор­ ного напряжения определяется состоянием /^-триггера, установочный вход которого соединен с выходом компаратора, имеющего нулевой уро­ вень срабатывания. При единичном сигнале на выходе компаратора триг­ гер переключается в единичное состояние и сигнал ик = U ] устанавливает переключатель К в верхнее положение, при котором напряжение обратной связи woc = +£/опЕсли триггер находится в нулевом состоянии, то получим напряжение обратной связи противоположного знака ~Uon.

Цикл преобразования начинается с прихода команды «Пуск», на­ пряжение которой сбрасывает триггер в нулевое состояние и запускает ге­ нератор, выдающий с периодом Т тактовые импульсы. Тот же сигнал об­ нуляет выходное напряжение интегратора (ид = 0). Начинается процесс интегрирования входного напряжения, и за первый такт напряжение на выходе интегратора с постоянной интегрирования Ти достигает значения ид(7) = ихТ/ТИ9так как сигнал ОС подается с задержкой на один такт.

Процессы в узлах АЦП целесообразно рассмотреть на конкретном примере преобразования постоянного напряжения Ux= 0,4В. Для упроще­ ния записи удобно принять Uor]= 1В и выбрать 77ГИ= 1. Тогда в конце пер­ вого такта t = Т на выходе интегратора будет напряжение ид(7) = 0,4В, пе­ реводящее компаратор в единичное состояние и устанавливающее на вы­ ходе триггера uK=U]. Ключ К при этом устанавливается в положение, ко­ торое подключает к инвертирующему входу сумматора напряжение иос(Т) =Uon= 1 В. В течение следующего такта Т< t <2Т на входе интегра­ тора действует напряжение щ .- и х- Uon - -0,6В, которое на выходе инте­ гратора в момент t ~ 2 T создает напряжение мд(27) = - 0,2В, переводящее при приходе тактирующего импульса компаратор в нулевое состояние. Триггер переходит в нулевое состояние и переключает ключ К в положе­ ние, обеспечивающее иос(Т) = - Uon= -1В.

Продолжая вычисления подобным образом, несложно построить за­ висимости от времени напряжений ш, ид, иж (рис. 14.24,6). Анализируя график ид(/), можно выявить участок Т< t < И Т с совпадающими началь­ ным и конечным значениями, который далее повторяется с периодом Гп. Усреднение компенсирующего напряжения uœ за период цикла Тп дает значение входного сигнала £/ср = ^Т и ^/Т ^ = 4£/оп/10 = 0,4В.

Нахождение цикла преобразования позволяет записать последова­ тельность переключений ключа К9приводящую в среднем к компенсации входного сигнала. Переключениями ключа управляет последовательность двоичных выходных сигналов триггера, отображающая код, эквивалент­ ный преобразуемому напряжению. Цифровой преобразователь должен вы­ делить фиксированный цикл преобразования и перевести последователь­

ность импульсов с выхода триггера в позиционный двоичный код. Обычно используется усреднение результатов за достаточно длительный интервал времени цифровым ФНЧ высокого порядка. Применение фильтра с конеч­ ной длительностью импульсной характеристики приводит к возникнове­ нию переходных процессов при изменении входного сигнала, что снижает быстродействие АЦП.

В общем случае сигма-дельта модулятор можно реализовать как АЦП небольшой разрядности, охваченный интегрирующей связью с ЦАП в контуре (рис. 14.25).

Рис. 14.25. Структура сигма-дельта модулятора

Работа схемы заключается в вычитании из входного сигнала значе­ ния выходного напряжения АЦП, полученного на предшествующем такте. Наибольшее распространение получили простые однобитные модуляторы, в которых в качестве АЦП используется компаратор, а роль ЦАП играет переключатель. Процедуры суммирования и интегрирования выполняются одним устройством на базе операционного усилителя. При этом уравнове­ шивание токов на его входе осуществляется с помощью источника тока, коммутируемого транзисторным переключателем. Для формирования вы­ ходного кода применяется двоичный счетчик (рис. 14.26).

Рис. 14.26. Схема сигма-дельта АЦП

Преобразуемое напряжение их подается на вход интегратора и заря­ жает конденсатор С, вызывая на выходе напряжение

ии = -(l/RC ) Juxdt = ~uxtj( RC),

которое поступает на вход компаратора с нулевым порогом срабатывания. При отрицательном напряжении (щ < 0) компаратор имеет высокий уровень на выходе ик= 1 /\ открывающий схему совпадения, которая про­ пускает вырабатываемые генератором импульсы длительностью At на вы­ ход. Во время действия импульса транзисторный ключ подключает источ­ ник тока J к суммирующему узлу интегратора, что создает приращение за­ ряда конденсатора С на величину Aq = УД/, снижающее напряжение, вы­ званное входным сигналом, на Auvl=JAt/C. Процесс перезаряда конденса­