Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Аналоговая и цифровая схемотехника. Средства измерения. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
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]