цифровые устройства / лекции / 09_ЦУ_ЦАП_АЦП_2025
.pdf
АЦП последовательного приближения
СС – схема сравнения (компаратор)
РПП – регистр последовательных приближений СУ – система управления
В основе работе такого АЦП лежит принцип последовательного приближения к величине входного напряжения путем сравнения с ½, ¼, 1/8, … 1/2n от
Um вх.
11
АЦП последовательного приближения
Входной сигнал (Uвх)
«−» - принудительная установка «1» «=» - запись результата сравнения
В основе лежит специальный регистр последовательного приближения. В начале цикла преобразования на всех выходах этого регистра установлены лог. 0, за исключением старшего разряда, в который принудительно записана лог. 1. В результате на выходе ЦАП устанавливается напряжение, равное ½Uвх mах, и на выходе схемы сравнения появляется результат сравнения UвыхЦАП = ½Uвх mах и Uвх.
Если Uвх > UвыхЦАП, то на выходе СС = 1. Если Uвх < UвыхЦАП, то на выходе СС = 0.
Это состояние записывается в старший разряд регистра сдвига и регистра хранения (РПП) во
втором такте. Третьим тактовым импульсом принудительно записывается «1» в следующий
более младший разряд. |
12 |
АЦП последовательного приближения
Входной сигнал (Uвх) |
(продолжение) |
|
«−» - принудительная установка «1» «=» - запись результата сравнения
Этот код с выхода РПП подается на ЦАП, который выдает соответствующее напряжение 3/4Uвх mах, которое сравнивается с Uвх (на СС) и результат записывается в тот же разряд
четвертым тактовым импульсом. Далее процесс продолжается до тех пор, пока не будут
проанализированы все разряды.
Время преобразования АЦП последовательного приближения: tпр = 2nTG,
где TG – период следования импульсов генератора; n – разрядность АЦП. |
|
Такие АЦП уступают по быстродействию АЦП параллельного типа, однако они более |
13 |
|
|
дешевые и потребляют меньшую мощность. Пример: 1113ПВ1. |
|
Интегрирующие АЦП
Главным элементом интегрирующего АЦП является интегратор, который строится на ОУ.
С
iвх R |
iос |
|
uвх
Схема интегратора
Считая ОУ идеальным, определим выходное напряжение:
uвых (t ) = −uC (t ).
|
|
|
|
Известно, что |
iC |
(t ) = C |
duC (t ) |
; |
|
uвых |
|||||||||
dt |
|||||||||
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
u |
(t ) = U |
(0)+ |
1 t |
i |
|
(t )dt; |
|
|||
|
|
|
|||||||||
|
C |
C |
|
||||||||
|
|
|
|
||||||||
|
C |
C |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uвых (t ) = − |
|
iC |
(t )dt + UC |
(0) |
, |
|||||
|
C |
||||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
т.к. iC(t) = iос(t), а iC (t ) = iос (t ) = uRR(t ) .
С учетом uR(t) = uвх(t) получаем
1 t
uвых (t ) = − RC 0 uвх (t )dt + Uвых (0),
14
АЦП двойного интегрирования
АЦП с двойным интегрированием работает в два этапа:
1.Преобразование входного напряжения в частоту или в длительность (время) импульсов
Uвх → f (ПНЧ – преобразователь «напряжение-частота»)
Uвх → Т (ПНВ – преобразователь «напряжение-время»)
2.Измерение частоты или времени (преобразование частоты или длительности (времени) в цифровой код) f → N или T→ N. Основой для определения является равенство площадок заряда и разряда конденсатора:
U1 T1 = U2 T2
Основную погрешность вносят ПНЧ.
В зависимости от того, как организован цикл интегрирования различают три группы преобразователей
15
АЦП двойного интегрирования
Напряжения заряда и разряда конденсатора формируются следующим образом:
T1 + T2 = const
16
АЦП двойного (двухтактного) интегрирования
Рассмотрим принцип действия АЦП с двойным интегрированием с заданным тактом (ПНВ).
С |
АЦП работает в два этапа. |
iвх |
R |
iос |
На первом этапе интегрируется положительное |
|
аналоговое напряжение в течение заданного |
||
|
|
|
|
uвх |
|
|
промежутка времени t1-t2 . Конденсатор С заряжается. |
|
|
uвых |
На втором этапе на вход интегратора подается Схема интегратора отрицательное опорное напряжение. Конденсатор С
разряжается до нулевого выходного напряжения
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
интегратора. Временной интервал t2-t3, за который |
Uвых интегр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
происходит разрядка конденсатора до нуля, |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
U0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
характеризует величину аналогового напряжения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t2 |
|
|
|
|
|
t3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Диаграмма напряжения на выходе интегратора
17
Этап 1
Подадим на вход постоянное напряжение Uвх.
По сигналу «Пуск» триггер Т1 вырабатывает сигнал на замыкание кл.1, => начинается интегрирование Uвх интегр.
На выходе интегратора формируется линейно изменяющееся (возрастающее) напряжение, которое сравнивается схемой сравнения (СС) с пороговым напряжением U0.
Как только Uвых интегр превысит U0 результат сравнения (лог. 1) перемножается с сигналами тактового генератора G на лог. элементе &, что разрешает поступление импульсов генератора на вход счетчика.
18
Счетчик подсчитывает импульсы с элемента &. Происходит заполнение интервала t1-t2 импульсами до переполнения счетчика. Другими словами, длительность временного интервала Т1 это четко заданное время и задается оно вполне определенным числом импульсов N1.
Этап 2
В момент времени t2 сигналом со счетчика триггер T1 сбрасывается, а Т2 устанавливается, => кл.1 размыкается, а кл.2 замыкается.
На вход интегратора подается сигнал, противоположный по знаку Uвх, => происходит «разинтегрирование» интегратора и Uвых интегр линейно падает и по достижении уровня U0 компаратор (СС)
выдает лог. 0. В течение интервала Т2 счетчик считает импульсы.
По истечении момента t3 счетчик останавливает счет, а триггер Т2 сбрасывается. На выходах счетчика - цифровой результат.
19
|
|
|
|
|
|
Интегрирующие АЦП |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Uвх интегр |
|
|
S |
+ |
|
|
Так как |
S+ = S− |
|
S+ = S− = U T = U |
2 |
T |
||||||
|
U1 |
|
|
|
_ |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
2 |
||
|
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
t |
U1 = Uвх, U2 = Uоп. |
|
Uвх T1 = Uоп T2 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U2 |
|
|
|
T = N T = N1 ; |
T = N |
|
T = N2 . |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
G |
fG |
2 |
|
G |
fG |
|
|
|
|
Uвых интегр |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
N1 – содержимое счетчика (количество импульсов) |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
S+ = S− |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
после завершения интервала t1-t2; |
|
|
|
|
||||||||
U0 |
|
|
|
|
|
|
N2 – содержимое счетчика (количество импульсов) |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
за интервал t2-t3; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
0 |
t1 |
|
t2 |
t3 |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Uвх сч |
|
fG |
– частота тактового генератора G. |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N1 |
|
|
N2 |
|
Значения R и С не влияют на точность результата. |
|
|
||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
Точность зависит от отношения Т1/Т2 и от величины Uоп: |
|||||||||||
T1 |
|
|
T2 |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвх T1 = Uоп T2 |
|
|
|
|
|
|||
Так как времена Т1 |
и Т2 в равной степени зависят от частоты генератора импульсов, эта частота также |
|
|
|||||||||||||||
не влияет на результат (частота должна быть постоянна в течение времени Т1 + Т2). |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
АЦП двухтактного интегрирования является наиболее медленным преобразователем. Однако этот недостаток компенсируется высокой разрешающей способностью и высокой точностью, а также сравнительно простой реализацией. Это позволяет выполнять их в виде ИМС. АЦП данного типа нашли применение в мультиметрах,
т.к. сочетают в себе такие свойства как высокое разрешение и высокое помехоподавление. |
20 |
|
Примеры: К572ПВ2, К572ПВ5. |
||
|