3. Краткие теоретические сведения

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) — устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Полученный код в виде отсчетов можно сохранить, обработать, вычислить преобразование Фурье, тем самым получить спектр измеряемого сигнала.

Любой АЦП является измерительным устройством, в котором происходит сравнение с опорным напряжением. Сравнение происходит в двоичной системе счисления.

Последние десятилетия обусловлены широким внедрением в производство средств микроэлектроники и вычислительной техники, обмен информацией с которыми обеспечивается линейными аналоговыми и цифровыми преобразователями (АЦП и ЦАП).

Современный этап характеризуется АЦП и ЦАП обладающими высокими эксплуатационными параметрами: быстродействием, малыми погрешностями, многоразрядностью. Включение АЦП в устройства сильно упростило внедрение их в приборы и установки, используемые как в научных исследованиях, так и в промышленности и дало возможность быстрого обмена информацией между аналоговыми и цифровыми устройствами.

Блок АЦП TLC549 представляет собой 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь с быстродействием 4MHz и одно- или двухполярным питанием. Блок включает схему выборки (Sample and Hold), встроенный генератор опорного напряжения выходной счётчик (Control Logic and Output Counter), выходной регистр данных (Output Data Register), селектор данных (8-to-1 Data Selector and Driver) и собственно преобразователь последовательного типа (см. рис.1).

Рисунок 1 - Структурная схема АЦП TLC549

Преобразователь воспринимает входные аналоговые сигналы в диапазоне от 0 до +Uоп. АЦП TLC549 построен по архитектуре последовательного приближения. В АЦП последовательного приближения выходные данные, соответствующие дискретному входному сигналу, формируются в конце соответствующего интервала преобразования.

В диапазоне входных напряжений АЦП от 0 до +Uоп. смена кодов происходит посередине очередного приращения, равного младшему значащему разряду LSB (1/2 LSB, 3/2 LSB, 5/2 LSB,…, (LS-3/2 ) LSB), 1 LSB = Uоп./2^N=(5 В)/2⁸= 20 мВ. Таким образом, цифровой код представляет собой нормализованное отношение аналогового сигнала к опорному сигналу. Идеализированная передаточная характеристика показана на рисунке2.

Рисунок 2 – Формат результата преобразования АЦП

Как видно из рисунка 2, на самом деле передаточная характеристика АЦП состоит из ступеней, но при рассмотрении смещения, усиления и линейности АЦП мы рассматриваем линию, соединяющую средние точки этих отрезков.

Формат выходных данных последовательного АЦП выглядит в виде последовательности фронтов и спадов пороговых напряжений «нулей» и «единиц» (0 Вольт и 5 Вольт соответственно), период следования которых зависит от частоты дискретизации (тактовые импульсы на вход SCK–I/OClock). Последовательности «нулей» и «единиц» объединяют по 8 (разрядность АЦПTLC549), полученный код (DataOut) и является результатом аналого-цифрового преобразования (см. рис.3).

Рисунок 3 – Временные диаграммы выводов АЦП

СигналCS(chipselect) является стробирующим, низкий уровень которого разрешает работу устройства.