Аналого-цифровой преобразователь

П

Рис.18.10. Базовая структурная схема АЦП

роцесс аналого-цифрово-го преобразования заключается в следующем. Для АЦП сn-разрядным двоичным выходом входной сигнал квантуется на 2ⁿ уровней так, что действи-тельное значение аналогового сигнала, соответствующее некоторой входной кодовой комбинации, находится между двумя логическими уровнями. Всего имеется 2^n-1 нулевых логических уровней аналогового сигнала, а шаг квантования  определяется путем деления значения диапазона изменений аналоговой переменной на 2ⁿ.  равен величине наименьшего значащего разряда АЦП, а максимальная погрешность преобразования равна /2. Базовая структурная схема АЦП приведена на рис.18.10.

На входе АЦП действует изменяющееся напряжение (в нашем случае от 0 до 3В). С выхода АЦП снимаются двоичные сигналы. АЦП преобразует аналоговый сигнал напряжения на входе в 4-х разрядное двоичное слово. Таблица 18.1 истинности показывает, как работает АЦП.

Таблица 18.1

Таблица истинности для АЦП

	Аналоговый вход	Двоичный выход
	Вольты	8	4	2	1
		Д	С	В	А
строка 1	0	0	0	0	0
строка 2	0,2	0	0	0	1
строка 3	0,4	0	0	1	0
строка 4	0,6	0	0	1	1
…	…	…	…	…	…
строка 15	2,8	1	1	1	0
строка 16	3,0	1	1	1	1

По способам реализации и принципам построения можно выделить несколько типов АЦП [3-10, 3-11].

АЦП с поразрядным уравновешиванием (использует ЦАП) – наиболее распространен, так как обеспечивает высокое разрешение при большой скорости преобразования. В его основе лежит сравнение выходного сигнала внутреннего ЦАП с аналоговым входным сигналом; результатом каждого сравнения является установление очередного разряда на выходе ЦАП. Таким образом, выдача n-разрядных двоичного слова занимает n фиксированных тактов, т.е. АЦП такого типа имеет постоянное время преобразования. Точность преобразования зависит от стабильности опорного напряжения ЦАП, резисторной схемы и компаратора. Такие АЦП применяют обычно в системах обработки данных, мультиплексно сопряженных с МПС, т.е. когда особо важны скорость преобразования и высокое быстродействие.

Структурная схема АЦП с поразрядным уравновешиванием представлена на рис.18.11.

Этот АЦП со-держит компара-тор напряжений, логический элемент И, двоично-десятичный счет-чик и ЦАП.

Рис.18.11. Структурная схема АЦП с поразрядным уравновешиванием

Ко входу АЦП (слева на рис. 18.12) приложено аналоговое напряжение. Компаратор "проверяет" величину напряжения, поступающего от ЦАП. Если аналоговое входное напряжение на входе В меньше напряжения ЦАП, разрешается прохождение тактовых (счетных) импульсов на вход двоично-десятичного счетчика. Счетчик подсчитывает эти импульсы, в результате постепенно увеличивается цифровой сигнал (двоичное число) на его выходе. Счет продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи с выхода ЦАП не превысит аналоговое входное напряжение. В этой точке компаратор останавливает счетчик. Предположим, что аналоговое входное напряжение равно 2В. В соответствии с таблицей 18.1 счетчик сосчитает до 1010, а затем остановится, сбросится в нулевое состояние (0000), и счет начнется снова.

Следует обратить внимание на то, что для преобразования аналогового сигнала напряжения в двоичный цифровой сигнал требуется некоторое время. Однако в большинстве случаев частота следования тактовых импульсов достаточно высока, так что эта временная задержка не имеет существенного значения.