Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие
.pdf
91
9. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ45
АЦП — устройства, предназначенные для преобразования электрических
величин (напряжения, тока, мощности, сопротивления, емкости и др.) в цифровой код.
По принципу построения АЦП делятся на:
• параллельные;
• последовательные.
9.1. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ АЦП46
DA1
DA2
DA3
DAn
R
R
R
R
R
…
U
0 UBX
Логическая схема
2
0
2
1
2
2
2
n
…
Рис. 9.1. Структурная схема параллельного АЦП
Этот метод аналого-цифрового преобразования можно определить, как
метод «грубой физической силы». Здесь для каждого возможного выходного
уровня используется один компаратор, и общий выходной сигнал получается в
виде двоичного кода путём соответствующего декодирования. Обычный аналоговый компаратор можно рассматривать как одноразрядный параллельный пре-
45
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13491.html (дата обращения: 12.08.2025).
46
URL: https://dstu.ru /sveden/files/Monografiya_Effektivnye_resheniya_dlya_sistemy_elektronabgheniya_
mikrosputnika.pdf (дата обращения: 12.08.2025); URL: https://lektsiopedia.org/lek-13491.html (дата обращения:
12.08.2025).

92
образователь, и если он является фиксирующим устройством, то получается
уже преобразователь с регистром на выходе. Как правило такой преобразователь имеет внутреннюю архитектуру конвейерного типа, благодаря чему цифровую обработку одного отсчёта можно осуществлять одновременно с записью
следующего отсчёта. Такой способ преобразования позволяет осуществить преобразование очень быстро: новый результат появляется на каждом такте. С другой стороны, в этом случае требуется большое число компараторов (255 или
256 для 8-разрядного преобразователя), что предопределяет относительно высокую стоимость устройства. В недалёком прошлом такой преобразователь составлял внушительный «кусок» оборудования, но в последнее время появился
ряд АЦП в интегральном исполнении с числом разрядов от 4 до 9.
Помимо очевидной сложности многоразрядных параллельных АЦП они
имеют ограниченную точность из-за входных напряжений смещения компараторов. Разность соседних напряжений может составлять лишь несколько милливольт, и, если суммарное смещение пары соседних компараторов превышает
эту величину, логический сигнал в неправильной последовательности поступит
на логическую схему декодирования. Даже если логика работы схемы предусматривает это, ошибка тем не менее неизбежна. Эта проблема решается при
реализации преобразователя такого типа в виде интегральной схемы при необходимости обеспечения небольших размеров бесполезной площади компараторов, чтобы достичь как высокого быстродействия, так и держать в разумных
пределах бесполезную площадь кристалла и выход готовых изделий. В последнее время появился новый преобразователь в виде интегральной схемы на
КМОП-структуре, в котором указанная проблема решается путём автокомпенсации смещения нуля каждого компаратора в течение части цикла преобразования.
Ui =
n
iU
0
, UBX = 0 U0.
Преобразователи параллельного типа реально выпускаются с разрядностью, не превышающей 8. От всех прочих типов преобразователей они отличаются максимальным быстродействием, обусловленным принципом их работы.
Время задержки преобразователя определяется временными параметрами срабатывания микросхем и у лучших преобразователей составляет порядка 1 10 нс.
Существенным недостатком таких преобразователей является значительная аппаратурная сложность, которая геометрически возрастает с увеличением числа
разрядов.

93
9.2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ АЦП47
Исходное состояние АЦП соответствует единичному состоянию RSтриггера (Q = 1). При этом импульсы от ГОЧ отсекаются от входа счетчика логическим ключом на элементе И-НЕ. Схема находится в статическом состоянии. При появлении на входе ЦАП импульса принудительного запуска АЦП на
выходе Q триггера устанавливается 1, и через открытый логический ключ на
вход счетчика начинают поступать импульсы от ГОЧ. Линейное нарастание
значения кода на выходе счетчика (двоичного числа) сопровождается формированием ступенчатого линейно нарастающего напряжения на выходе ЦАП. Выходное напряжение ЦАП сравнивается с входным сигналом на компараторе.
Компаратор формирует выходной импульс в момент превышения ступенчатолинейным напряжением напряжения входного сигнала. Этот импульс сбрасывает триггер. Процесс преобразования заканчивается, на выходе счетчика формируется код, соответствующий преобразованной входной величине. Недостатком такого типа АЦП следует считать зависимость времени преобразования от
величины входного сигнала, которое определяется числом импульсов ГОЧ, по-
ступившим на вход счетчика и может меняться от
ГОЧ
1
до
ГОЧ
N
2
, где N — раз-
рядность счетчика.
>
U
BX
S
R
U
ЗАП
&
ГОЧ
+1
R
СТ2
ЦАП
N
U
BX
t
…
Рис. 9.2. Структурная схема последовательного АЦП
47
URL: https://myrepititor.ru/sau/adc/posledovatelnye-acp (дата обращения: 12.08.2025).

94
9.3. АЦП С РЕГИСТРОМ ПОРАЗРЯДНОГО УРАВНОВЕШИВАНИЯ48
Алгоритм работы регистра последовательного приближения (регистра
поразрядного уравновешивания) сводится к следующему. Цикл преобразования
начинается с обнуления состояния регистра. В дальнейшем по каждому тактовому импульсу ГОЧ последовательно переводятся в единичное состояние все
разряды регистра, начиная со старшего.
U
BX
U
ЗАП
ГОЧ
ЦАП
x
з
Р
Рис. 9.3. Структурная схема АЦП с регистром поразрядного уравновешивания
На каждом такте цифровой код передается на вход ЦАП, выходной сигнал которого сравнивается с входным компаратором. Выходной сигнал компаратора определяет условия фиксации единичных значений в разрядах выходного кода. Так, если UВХ > U
ВЫХ
, единица в соответствующих разрядах фиксиру-
ется, если UВХ < U
ВЫХ
, фиксируется 0. В результате через N тактов ГОЧ (N —
разрядность кода) на выходе регистра формируется код, соответствующий преобразованному входному сигналу.
9.4. СЛЕДЯЩИЙ АЦП49
Следящий АЦП во многом похож на преобразователь последовательного
приближения, но в нем вместо регистра последовательного приближения используется реверсивный счётчик. С приходом каждого тактового импульса состояние счётчика изменяется в ту или другую сторону в зависимости от сигнала
на выходе компаратора, и, таким образом, выход АЦП отслеживает состояние
сигнала на выходе, что и дало название «следящий» этому типу АЦП.
48
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13493.html (дата обращения: 12.08.2025).
49
URL: https://baumanka.pashinin.com/IU1/sem10/Управляющие%20ЭВМ%20и%20комплексы%20(Суханов)/
_4_2011.pdf (дата обращения: 12.08.2025); URL: https://myrepititor.ru/sau/adc/sledyashchiy-analogo-cifrovoy-
preobrazovatel (дата обращения: 12.08.2025).

95
K
U
BX
&
ГОЧ
+1
-1
СТ
ЦАП
&
1
U
BX
t
I
II
Рис. 9.4. Функциональная схема следящего АЦП
Очевидно, цифровые значения на выходе ЦАП будут отслеживать входной сигнал при его изменении со скоростью не более единицы МЗР(младшего
значащего разряда) за один тактовый импульс, и если это условие соблюдается,
то сигнал на входе будет отслеживаться с задержкой, меньшей одного тактового интервала.
Для такого преобразователя существуют два основных режима работы:
• режим выхода (I);
• режим слежения (II).
Скорость изменения выходного напряжения ЦАП на режиме выхода
определяется величиной дискреты выходного напряжения и частотой импульсов ГОЧ:
v =
N
m
ВЫХ
2
U
ГОЧ
.
В режиме слежения если скорость изменения входного сигнала не превышает максимальную скорость изменения напряжения на выходе ЦАП, преобразование происходит за 13 импульса ГОЧ, то есть старшие N-2 разряда
цифрового кода являются верной информацией. При скачкообразном изменении входного сигнала происходит срыв режима слежения, и преобразователь
начинает работать аналогично АЦП последовательного преобразования.

96
9.5. КОНВЕЙЕРНЫЕ АЦП50
В конвейерных АЦП используется совокупность малоразрядных быстродействующих параллельных АЦП и быстродействующих ЦАП. Такая структура позволяет получить сигнал ошибки между реальным значением входного
сигнала и его цифровым преобразованным эквивалентом. Сигнал ошибки в
аналоговом виде усиливается в количество раз, определяемое разрядностью
ступени преобразования (масштабируется на полную шкалу входного сигнала),
и ошибка подвергается аналого-цифровому преобразованию аналогичным звеном. Разрядность преобразования при этом удваивается. Суммарное время преобразования в таких структурах определяется временем преобразования одной
ступени и количеством ступеней преобразования. Время преобразования одной
ступени складывается из времени установления АЦП, ЦАП и масштабирующего усилителя.
9.6. АЦП С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ В ЧАСТОТУ (ПНЧ)51
Принцип работы АЦП данного типа основан на преобразовании напряжения в пропорциональную ему частоту следования импульсов, которая затем
измеряется за фиксированный интервал времени.
Работа преобразователя описывается соотношением:
N = T
ИЗМ
= U
ВХ
T
ИЗМ
, (9.1)
где — величина, обратная крутизне преобразования напряжения в частоту;
— выходная частота преобразователя напряжения в частоту.
Рис. 9.5. Функциональная схема преобразователя
50
URL: https://myrepititor.ru/sau/adc/konveyernye-acp (дата обращения: 12.08.2025).
51
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13496.html (дата обращения: 12.08.2025).

97
Рассмотрим распространённый вариант такого преобразователя (рис. 9.5).
В него входят такие элементы, как интегратор на основе ОУ, источник опорного напряжения, компараторы, а также генератор прецизионных импульсов тока.
Работа преобразователя основана на том, что скорость изменения выходного
напряжения интегратора пропорциональна входному напряжению, поэтому если фиксировать компараторами некоторый небольшой диапазон изменения этого напряжения и оп достижении верхней границы возвращать интегратор в исходное состояние, то частота пилообразного напряжения на его выходе будет
пропорциональна входному напряжению.

98
10. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ДЛЯ РЕЗИСТИВНЫХ ДАТЧИКОВ52
Резистивными датчиками обычно являются проволочные термосопротив-
ления, тензорезисторы, а также набор потенциометров.
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ В НАПРЯЖЕНИЕ (ПСН)
С ИСТОЧНИКОМ СТАБИЛЬНОГО ТОКА
DA1
R2
R1IR
X
U
ВЫХ
U+ = IRX.
U
ВЫХ
= U+
+
R1
R2
1
= IRX
+
R1
R2R1
.
U
ВЫХ
=
K
I
R1
R2
1
+
RX,
K — коэффициент передачи схемы.
Недостатком схемы является малая стабильность коэффициента преобра-
зования, обусловленная стабильностью источника опорного тока.
В качестве источника тока используется полевой транзистор.
U
ВЫХ
VD
DA
R
X
R0
VT
+E
А
I
C
U
CИ
I
C0
Рис. 10.1. Преобразователь сопротивления в напряжение (ПСН)
с источником стабильного тока
52
URL: https://lektsiopedia.org/lek-13498.html (дата обращения: 12.08.2025).

99
U+ = U– = U
ВЫХ
. (10.1)
UA = U
ВЫХ
+ U0. (10.2)
IR0 =
R0
U
0
. (10.3)
U+ = URx = I
R0
RX =
R0
U
0
RX. (10.4)
U
ВЫХ
=
R0
U
0
RX. (10.5)
Стабильность коэффициента преобразования схемы зависит от стабиль-
ности опорного источника U0. Двумя основными факторами, влияющими на
стабильность опорного напряжения, являются:
• изменение температуры окружающей среды;
• стабильность тока, протекающего через стабилитрон.
Для устранения влияния температуры в качестве опорного источника
следует применять термокомпенсированные стабилитроны (КС191, КС196),
имеющие температурный коэффициент напряжения порядка 0,0010,005
C
%
0
.
Для стабилизации тока через опорный элемент в схеме применим стаби-
лизатор тока на полевом транзисторе. Учитывая, что
IСТ = I – IR0, (10.6)
где IСТ — ток через стабилитрон;
I = const — ток стока полевого транзистора;
IR0 =
R0
U
0
= const, IСТ = const. Это позволяет устранить влияние ненулевого
динамического сопротивления стабилитрона.
DA1
U
+
R
X
R1
DA2R2A
U
ВЫХ
I
0
I0 = IR2.
UA = U
ВЫХ
– I0 R2.

100
UR1 = UA – U+ = –I0 R2.
IRx = IR1 =
R1
U
R1
= –I0
R1
R2
.
U+ = –I0
R1
R2
RX.
U
ВЫХ
= U+ = I0
R1
R2
RX, I0 < 0.
При удаленности измерительного устройства от резистивного датчика
возникает проблема получения достоверной информации о сопротивлении датчика, вызванная наличием ненулевого сопротивления подводящей линии. Компенсация сопротивления линии представляет собой значительную трудность,
поскольку линия связи и компенсирующие элементы могут находиться в различных температурных условиях.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
